FR3111916A1 - Valorisation de l’acetone par procede de fermentation ibe impliquant des microorganismes genetiquement modifies - Google Patents
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Abstract
la présente invention concerne un procédé de production d’alcools comprenant : a. une étape de fermentation en présence d’un microorganisme génétiquement modifié, mettant en œuvre au moins une section réactionnelle comprenant un bioréacteur alimenté par un flux d’alimentation, une zone de séparation, une zone d’analyse du moût, de sorte que : - phase 1 : lorsque la teneur en acétone dudit moût est inférieure à 1 g/L, ledit flux d’alimentation comprend une solution aqueuse de sucres et un flux acétone, de sorte que la concentration en acétone dudit flux d’alimentation est inférieure ou égale à 10 g/L ; - phase 2 : lorsque la teneur en acétone dudit moût est supérieure ou égale à 1 g/L, ledit flux d’alimentation consiste en ladite solution aqueuse de sucres ; b. une étape de traitement du moût pour séparer un effluent acétone et un effluent aqueux d’alcools ; c. une étape de recyclage d’au moins une fraction dudit effluent acétone vers l’étape a) pendant la phase 1.
Description
La présente invention concerne un procédé de production d’alcools par fermentation IBE d’une solution aqueuse comprenant des sucres en C5 et/ou C6 en présence de microorganismes génétiquement modifiés, permettant de valoriser notamment l’acétone produit en quantité non-négligeable après réversion de la souche OGM des microorganismes, et ainsi de maximiser le rendement en alcools, en particulier en isopropanol.
Afin de répondre aux enjeux de la transition énergétique, de nombreuses recherches sont menées pour développer des procédés dits «verts», permettant d’accéder à des intermédiaires chimiques d’une façon alternative au raffinage du pétrole et/ou à la pétrochimie.
Les alcools issus de fermentation (éthanol, n-butanol, noté butanol dans la suite, isopropanol) sont les substituts de dérivés pétrochimiques les plus prometteurs. La fermentation ABE (Acétone – Butanol – Ethanol) est une des plus anciennes fermentations à avoir été industrialisée (début du 20ème siècle) et a été depuis largement étudiée (cf. Moonet al.« One hundred years ofclostridialbutanol fermentation. » FEMS Microbiol Lett. 2016 Feb, 363, 3). Il existe également la fermentation IBE (Isopropanol – Butanol – Ethanol) qui produit un mélange d’isopropanol, butanol et éthanol (cf. Dos Santos Vieiraet al.« Acetone-free biobutanol production: Past and recent advances in the Isopropanol-Butanol-Ethanol (IBE) fermentation. » Bioresour Technol. 2019 Sep, 287:121425). Ces deux types de fermentations sont réalisées en anaérobiose stricte par un microorganisme fermentaire généralement du genreClostridium.
Ces souches deClostridia, non pathogènes, dites solvantogènes, et utilisées en biotechnologie, ont naturellement la capacité de transformer une variété importante de sucres pour produire des espèces chimiques d’intérêt, et plus particulièrement un mélange d’acétone, de butanol et d’éthanol au cours d’une fermentation ABE (Joneset al.« Acetone-butanol fermentation revisited. » Microbiol Rev 1986, 50: 484–524). Certaines sont quant à elle capables de produire un mélange d’isopropanol, de butanol et d’éthanol lors d’une fermentation dite IBE (Chenet al., « Acetone-butanol-isopropanol production byClostridium beijerinckii(synonym, Clostridium butylicum). » Biotechnol Lett 1986, 8: 371–376 ; Georgeet al., « Acetone, isopropanol and butanol production byClostridium beijerinckii(syn.Clostridium butylicum) andClostridium aurantibutyricum. » Appl Environ Microbiol 1983, 45: 1160–1163). Seules quelques souches deClostridiasolvantogènes particulières sont naturellement capables de produire au cours du processus fermentaire de l’isopropanol en remplacement quasi-total de l’acétone, notamment certaines souches deClostridium beijerinckii (ou C. beijerinckii). Les autres souches produisent un mélange Acétone / Butanol / Ethanol (A/B/E).
Lors du processus fermentaire IBE qui conduit au mélange d’alcools Isopropanol / Butanol / Ethanol (I/B/E), l’acétone est donc un produit intermédiaire de la voie de production fermentaire de l’isopropanol (Máté de Gérandoet al., « Genome and transcriptome of the natural isopropanol producerClostridium beijerinckiiDSM6423 » BMC Genomics, 2018 19:242 ; Collas, 2012. « Production of isopropanol, butanol and ethanol by metabolic engineered Clostridia ». Thèse de doctorat en Microbiologie et Biologie moléculaire. AgroParisTech. France). En fin de fermentation IBE, le moût obtenu comprend systématiquement de l’acétone, souvent en faible concentration (généralement environ 2% de la masse des solvants produits). La présence d’acétone dans les produits d’un procédé de fermentation IBE est cependant caractéristique d’un rendement en alcools, en particulier en isopropanol, incomplet.
Il apparait alors utile, pour rendre économiquement intéressante la production fermentaire d’alcools I/B/E à grande échelle, d’optimiser les procédés classiques de fermentation IBE en convertissant l’acétone co-produit en alcool, en particulier en isopropanol, permettant ainsi de limiter l’accumulation de ce co-produit acétone dans les procédés. Récupérer et convertir l’acétone permet en outre de le valoriser et surtout d’améliorer les rendements de conversion des sucres en alcools.
Des procédés industriels de transformation de l’acétone en isopropanol par voie chimique existent. Ce sont des procédés conventionnels d’hydrogénation catalytique sous pression. Par exemple, les procédés décrits dans les documents EP 0379323 et US 2011/0218367 sont des procédés de production d’isopropanol par réaction de l’acétone avec de l’hydrogène en présence de catalyseurs à base de métal hydrogénant, en particulier à base de Nickel de Raney, à une température entre 20 et 200°C et une pression comprise entre 1 et 80 bars, plus précisément comprise entre 10 et 20 bar (EP 0379323). La demande US 2011/0218367 précise que la sélectivité en isopropanol est améliorée en présence d’eau. Le brevet US 6930213 décrit quant à lui un procédé d’hydrogénation de l’acétone en isopropanol en plusieurs étapes réactionnelles de manière à produire de l’isopropanol de haute pureté et avec une sélectivité améliorée.
En parallèle, la voie enzymatique pour convertir l’acétone est explorée. La littérature décrit, par exemple, la réduction d’acétone en isopropanol en utilisant une souche particulière deClostridium, notamment la soucheClostridium ragsdalei, dans un système fermentaire très différent de la fermentation IBE ou ABE, puisqu’il consiste en la fermentation d’un substrat gazeux issu de la gazéification, appelé aussi syngas, qui comprend un mélange gazeux d’azote N2, d’hydrogène H2, de dioxyde de carbone CO2et du monoxyde de carbone CO (Ramachandriya KDet al., « Reduction of acetone to isopropanol using producer gas fermenting microbes », Biotechnol Bioeng., 2011 Oct, 108(10), 2330-8). Dans ce procédé, de l’acétone est ajouté dans le milieu fermentaire, à des concentrations allant jusqu’à 2 g/L sans affecter la croissance du microorganisme.
Une autre étude propose d’optimiser la fermentation Acétone – Isopropanol – Butanol en présence d’une souche naturelle deClostridium, NJP7, pour améliorer la production de butanol ou de butanol-isopropanol, notamment en introduisant dans le milieu de culture avec le glucose de l’acide exogène (acide acétique ou acide butyrique) ou un précurseur d’enzymes spécifiques (Xinet al., « Strategies for improved isopropanol-butanol production by aClostridiumstrain from glucose and hemicellulose through consolidated bioprocessing », Biotechnololy for Biofuels, 2017, 10 :118). Cette même étude montre que les titres et productivités en butanol et isopropanol de la soucheClostridiumNJP7, peuvent être encore améliorées lors d’une fermentation fed-batch par extraction in situ à l’aide de biodiesel.
D’autres travaux encore proposent de réaliser des modifications génétiques de souches qui produit naturellement un mélange Acétone – Butanol – Ethanol, pour lui faire produire de l’isopropanol en remplacement de l’acétone. Les souches qui ont subi ces modifications génétiques sont appelées souches OGM. Par exemple, une souche deClostridium acetobutylicum ATCC 824a été modifiée génétiquement pour produire un mélange Isopropanol – Butanol – Ethanol (Joungmin Leeet al., « Metabolic Engineering of Clostridium acetobutylicum ATCC 824 for Isopropanol-Butanol-Ethanol Fermentation », Georgeet al., Applied and Environmental Microbiology, March 2012, Vol.78, N.5, p. 1416–1423 ; Waselset al., « A two-plasmid inducible CRISPR/Cas9 genome editing tool forClostridium acetobutylicum. », J. Microbiological Methods, 2017, 140, p5-11). Cependant, la production d’acétone résiduelle est toujours observée, malgré la présence d’une alcool déshydrogénase produite par le microorganisme génétiquement modifié et capable de convertir efficacement l’acétone. De plus, si elles sont très performantes pour la conversion IBE du glucose en particulier en début d’opération fermentaire, les souches génétiquement modifiées sont instables, notamment lors d’une fermentation en mode continu. Il peut en effet y avoir, au cours d’une fermentation continue, en présence par exemple de souchesClostridium acetobutylicum ATCC 824génétiquement modifiées, réversion de ces souches OGM et production d’acétone en quantités croissantes. Autrement dit, au cours d’une fermentation continue, en présence par exemple de souchesClostridium acetobutylicum ATCC 824génétiquement modifiées, les souches peuvent présenter après défaillance une incapacité à convertir l’acétone en isopropanol amenant à une accumulation en acétone.
La présente invention propose de parer à la défaillance des souches génétiquement modifiées. Elle vise ainsi un procédé de production d’alcools avec des rendements en alcools, en particulier en isopropanol, et une conversion des sucres en C5/C6 en alcools améliorés, en utilisant la fermentation de type IBE en présence de souches génétiquement modifiées (ou souches OGM), afin de bénéficier des performances de conversion des souches deClostridiumgénétiquement modifiées, notamment en début de fermentation, en valorisant l’acétone produit en cours de la fermentation et en particulier après réversion des souches modifiées.
La présente invention concerne ainsi un procédé de production d’alcools comprenant :
a.une étape de fermentation mettant en œuvre au moins une section réactionnelle qui comprend :
- un bioréacteur, alimenté par un flux d’alimentation et mettant en œuvre une fermentation en présence d’un microorganisme génétiquement modifié pour produire des gaz de fermentation et un moût de fermentation,
- une zone de séparation des gaz de fermentation du moût de fermentation,
- une zone d’analyse de la composition du moût de fermentation issu de la zone de séparation pour déterminer la teneur en acétone dudit moût de fermentation,
de sorte que le bioréacteur est alimentée selon deux phases :
- phase 1 : lorsque la teneur en acétone dudit moût de fermentation issu de la zone de séparation est inférieure à 1 g/L, ledit flux d’alimentation comprend une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et un flux acétone, les débits de ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et dudit flux acétone étant ajustés de sorte que la concentration en acétone dans ledit flux d’alimentation est inférieure ou égale à 10 g/L ;
- phase 2 : lorsque la teneur en acétone dudit moût de fermentation issu de la zone de séparation est supérieure ou égale à 1 g/L, ledit flux d’alimentation consiste en ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 ;
b. une étape de traitement du moût de fermentation obtenu à l’issue l’étape a) pour séparer, au moins, un effluent acétone et un effluent aqueux d’alcools ;
c. une étape de recyclage mettant en œuvre au moins (i) une section de collecte pour collecter au moins une fraction dudit effluent acétone issu de l’étape b) pour obtenir au moins un effluent acétone collecté, et (ii) une section de recyclage pour transférer au moins une fraction de l’effluent acétone collecté vers l’étape a) pendant la phase 1 afin de composer au moins en partie ledit flux acétone du flux d’alimentation en phase 1.
De manière surprenante, la demanderesse a découvert qu’il était possible d’améliorer sensiblement les rendements de conversion des sucres en alcools lors d’une fermentation de type IBE, en bénéficiant des performances de conversion des souches génétiquement modifiées deClostridium, tout en palliant à leur instabilité au cours du temps. En effet, la présente invention propose un procédé de production d’alcools par conversion enzymatiques des sucres en C5/C6 en présence de microorganismes génétiquement modifiés, permettant de valoriser l’acétone produit en quantités non-négligeables par lesdits microorganismes modifiés après leur réversion de manière à le transformer en isopropanol. Le rendement de conversion des sucres en alcools est alors amélioré, tout en utilisant un schéma de procédé relativement simple, ce qui représente un gain économique notable.
Un autre avantage de la présente invention réside dans la possibilité de valoriser également de l’acétone exogène, qui est de l’acétone bio-compatible issu de procédés fermentaires ou chimiques externes au procédé de la présente invention. Il apparait en effet que l’acétone est très bien convertie en isopropanol, par les microorganismes deClostridiumgénétiquement modifiés, même à des concentrations d’acétone élevées dans le milieu fermentaire.
Selon l’invention, la fermentation de type IBE, ou fermentation IBE, est une fermentation utilisant des microorganismes qui permettent la conversion de sucres comprenant 5 atomes de carbone (C5) et/ou 6 atomes de carbone (C6), solubilisés dans une solution aqueuse, en produits fermentaires comprenant majoritairement un mélange d’alcools isopropanol, n-butanol (noté selon l’invention butanol) et éthanol. Les produits fermentaires peuvent également comprendre de l’acétone, co-produite avec les alcools. L’acétone représente généralement au plus 2% poids du poids des solvants produits par fermentation IBE, en particulier en début de fermentation. La fermentation produit également des gaz fermentaires. Les gaz fermentaires contiennent en particulier du dioxyde de carbone (CO2) et de l’hydrogène.
Selon l’invention, les termes « fermentaire(s) » ou « de fermentation » sont utilisés indifféremment. Par exemple, les « produits fermentaires » sont aussi appelés « produits de fermentation » ; les « gaz fermentaires » sont aussi appelés « produits de fermentation », etc.
Selon l’invention, les « produits fermentaires » sont des solvants produits au cours de la fermentation IBE visée. Ils comprennent, de préférence consistent en, un mélange de n-butanol (ou butanol), d’éthanol, d’isopropanol et d’acétone, cette dernière étant produite en quantités plus ou moins importantes en fonction notamment des microorganismes et du temps de fermentation. Le terme « solvants » peut être utilisé dans la suite de ce développement et désigne, conformément à l’invention, l’ensemble des composés alcools et cétones produits par fermentation. Plus particulièrement, le terme « solvants » désigne le mélange isopropanol, butanol, éthanol et acétone produit lors de la fermentation mise en œuvre dans le procédé selon l’invention.
Selon l’invention, les microorganismes, ou bactéries, utilisé(e)s dans le système fermentaire sont des souches deClostridiumcapables de produire naturellement un mélange comprenant de l’acétone, du n-butanol et de l’éthanol (fermentation ABE), et modifiées génétiquement pour les forcer à produire de l’isopropanol à la place de l’acétone, c’est-à-dire pour forcer la fermentation IBE. Avantageusement, les microorganismes utilisés sont génétiquement modifiés (souches OGM) et synthétisent au cours de la fermentation une enzyme spécifique, appelée alcool déshydrogénase secondaire (adh ou sadh), qui permet la conversion de l’acétone en isopropanol en présence d’un co-facteur, plus particulièrement en présence du NADPH (Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate), ce co-facteur étant produit par les mêmes microorganismes génétiquement modifiés en présence sucres comme par exemple le glucose.
Selon un ou plusieurs modes de réalisation, le système fermentaire, appelé encore biomasse bactérienne, est produit au moins par (et/ou comprend) un microorganisme appartenant au genreClostridiumet capable de produire des solvants. La plupart des espèces deClostridiumdites « solvantogènes » peuvent être utilisées. Par exemple, des bactéries solvantogènes du genreClostridiumpeuvent être sélectionnées parmiC. acetobutylicum,C. cellulolyticum,C. phytofermentans,C. beijerinckii,C. saccharobutylicum,C. saccharoperbutylacetonicum,C. sporogenes,C. butyricum,C. aurantibutyricumetC. tyrobutyricum, de manière préférée parmiC. acetobutylicum,C. beijerinckii,C. butyricum,C. tyrobutyricumetC. cellulolyticum, et de manière encore plus préférée parmiC. acetobutylicumet C.beijerinckii. De manière préférée, le microorganisme employé est génétiquement modifié. Une souche génétiquement modifiée correspond à une souche dont le matériel génétique (ADN) a été modifiée par rapport à une souche initiale. Les modifications génétiques sont réalisées à l’aide d’outils génétiques bien connus de l’homme de l’art (cf. Pyneet al.Biotech Adv 2014 32(3):623-41 et Waselset al.J. Microbiol Methods 2017 140:5-11). Les modifications génétiques peuvent correspondre à des modifications du propre contenu génomique de la souche employée afin d’améliorer ses performances pour la production d’Isopropanol/Butanol/Ethanol ou sa capacité à modifier la sélectivité envers l’isopropanol ou le n-butanol. Les modifications génétiques peuvent également correspondre à l’intégration d’un (ou plusieurs) matériel(s) génétique(s) permettant d’améliorer les performances ou la sélectivité envers l’isopropanol ou le n-butanol des souches deClostridiumutilisé dans le procédé. Par matériel génétique, il faut comprendre un fragment d’ADN contenant un ou plusieurs éléments génétiques (promoteur, gène, terminateur, structure régulatrice, etc.) intégré au sein du génome de la souche génétiquement modifiée (cf. revue de Walther & Francois Biotechnology Advances 34 (2016) 984–996 pour ce qui est deClostridium acetobutylicum). Très avantageusement, le microorganisme utilisé dans le procédé selon l’invention est une bactérieC. acetobutylicumde souche DSM 792 (également désignée souche ATCC 824 ou encore LMG 5710), et/ou une bactérieC. beijerinckiide souche NCIMB 8052. Par exemple, les microorganismes modifiés utilisés dans le procédé selon l’invention sont des souchesClostridium acetobutylicumgénétiquement modifiées, en particulier celles décrites par Waselset al., « A two-plasmid inducible CRISPR/Cas9 genome editing tool forClostridium acetobutylicum. », J. Microbiological Methods, 2017, 140, p5-11.
Selon l’invention, les microorganismes utilisés peuvent être appelés indifféremment « microorganismes », « microorganismes modifiés », « souches génétiquement modifiées » ou encore « souches OGM ».
Cependant, ces microorganismes génétiquement modifiés peuvent être instables au cours du temps et subir un phénomène de réversion conduisant à une baisse progressive d’expression de l’enzyme correspondante à l’alcool deshydrogénase impliquée dans la conversion de l’acétone en isopropanol (adh) et donc à une augmentation des quantités d’acétone co-produite au cours d’une fermentation IBE. A terme, les microorganismes génétiquement modifiés produisent des quantités importantes d’acétone et ne permettent plus la transformation en isopropanol. Selon l’invention, il y a dégradation des performances des microorganismes génétiquement modifiés lorsque la teneur en acétone du moût de fermentation dépasse 1 g/L (1 g d’acétone par litre de moût fermentaire). A partir de cette valeur, la concentration en acétone du moût de fermentation augmente régulièrement. Ladite teneur, ou concentration, en acétone du moût de fermentation est avantageusement déterminée par chromatographie en phase liquide (HPLC), utilisant en particulier une colonne d’exclusion stérique, plus particulièrement une colonne de perméation sur gel, par exemple une colonne de type Shodex Ionpack KC-811, ladite colonne d’exclusion ionique étant couplée à un réfractomètre et un détecteur UV, comme notamment décrit dans Mate de Gerandoet al.Applied Microbiology and Biotechnology 2016, 12 :5427–5436.
Selon l’invention, un « bioréacteur », également désigné par « fermenteur », est un équipement de propagation de microorganismes fermentaires capables de produire des molécules d’intérêt (solvants ou autres composés organiques). Une fermentation en bioréacteur permet ainsi, en présence de sucres en C5 et/ou C6, une croissance du microorganisme utilisé, avec un contrôle des paramètres-clés comme le pH, l’agitation et la température du milieu de fermentation (ou fermentaire), appelé aussi milieu réactionnel, et la production des solvants visés. L'étape de fermentation selon l’invention consiste donc à faire croitre les microorganismes et récupérer un effluent réactionnel comprenant le moût de fermentation.
Selon l’invention, le volume d’un bioréacteur correspond au volume utile dudit bioréacteur.
Selon la présente invention, l’expression « compris entre … et … » signifie que les valeurs limites de l’intervalle sont incluses dans la gamme de valeurs décrite. Si tel n’était pas le cas et que les valeurs limites n’étaient pas incluses dans la gamme décrite, une telle précision sera apportée par la présente invention.
Dans le sens de la présente invention, les différents plages de paramètres pour une étape donnée telles que les plages de pression et de température peuvent être utilisées seules ou en combinaison. Par exemple, dans le sens de la présente invention, une plage de valeurs préférées de pression peut être combinée avec une plage de valeurs de température plus préférées.
Dans la suite, des modes de réalisation particuliers et/ou préférés de l’invention peuvent être décrits. Ils pourront être mis en œuvre séparément ou combinés entre eux, sans limitation de combinaison lorsque c’est techniquement réalisable.
L’invention concerne un procédé de production d’alcools comprenant, en particulier consistant en, les étapes suivantes :
a. une étape de fermentation mettant en œuvre au moins une section réactionnelle qui comprend, de préférence consiste en :
- un bioréacteur, alimenté par un flux d’alimentation et mettant en œuvre une fermentation en présence d’un microorganisme génétiquement modifié pour produire un flux fermentaire comprenant des gaz de fermentation et un moût de fermentation,
- une zone de séparation des gaz de fermentation du moût de fermentation,
- une zone d’analyse de la composition du moût de fermentation issu de la zone de séparation pour déterminer, de préférence par chromatographie en phase liquide (dite HPLC), la teneur en acétone dudit moût de fermentation,
de sorte que le bioréacteur est alimentée selon deux phases, de préférence successives et avantageusement dans l’ordre suivant :
- phase 1 : lorsque la teneur en acétone dudit moût de fermentation issu de la zone de séparation, de préférence déterminée par chromatographie en phase liquide (ou HPLC) dans la zone d’analyse, est inférieure à 1 g/L, ledit flux d’alimentation comprend, de préférence consiste en, une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et un flux acétone, de préférence comprenant, préférentiellement consistant en, au moins une fraction de l’effluent acétone collecté issu de l’étape c), les débits de ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et dudit flux acétone étant ajustés de sorte que la concentration en acétone dudit flux d’alimentation est inférieure ou égale à 10 g/L, de préférence inférieure ou égale à 5 g/L, préférentiellement inférieure ou égale à 2 g/L ;
- phase 2 : lorsque la teneur en acétone dudit moût de fermentation issu de la zone de séparation, de préférence déterminée par chromatographie en phase liquide (ou HPLC) dans la zone d’analyse, est supérieure ou égale à 1 g/L, ledit flux d’alimentation consiste en ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 ;
b. une étape de traitement du moût de fermentation obtenu à l’issue de l’étape a), pour séparer au moins un effluent acétone et un effluent aqueux d’alcools, comprenant avantageusement des alcools et en particulier du butanol, de l’éthanal et de préférence de l’isopropanol ;
c. une étape de recyclage mettant en œuvre au moins, de préférence seulement, (i) une section de collecte pour collecter au moins une fraction, de préférence la totalité, dudit effluent acétone issu de l’étape b), et de manière préférée tant que la quantité massique de l’effluent acétone issu de b) est inférieure ou égale à la capacité maximale de recyclage de l’acétone, pour obtenir, au moins, un effluent acétone collecté et éventuellement un effluent acétone non collecté, et (ii) une section de recyclage pour transférer au moins une fraction de l’effluent acétone collecté vers l’étape a) pendant la phase 1 afin de composer au moins en partie ledit flux acétone du flux d’alimentation en phase 1,
la capacité maximale de recyclage de l’acétone étant avantageusement déterminée de la manière suivante :
Capacité recyclage = [Acétone] x dacétonex qsolution sucresx tphase1/ (dacétone- [Acétone])
Avec :
Capacité recyclage la capacité maximale de recyclage de l’acétone, exprimée en gramme ;
[Acétone] : la concentration en acétone du flux d’alimentation à l’entrée du bioréacteur lors de la phase 1 du cycle de production, exprimée en g/L (gramme par litre) ;
dacétone: la densité de l’acétone à 20°C et pression atmosphérique et égale à 784 g/L ;
qsolution sucres: le débit de la solution de sucres en C5 et/ou C6 du flux d’alimentation du bioréacteur pendant la phase 1, exprimé en L/h ;
tphase1: le temps que dure la phase 1 du cycle de production, exprimé en heure.
Solution aqueuse de sucres
Selon l’invention, le procédé est alimenté par une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6.
Ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 comprend des sucres ayant 5 atomes de carbone (C5) et/ou 6 atomes de carbone (C6). Ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 peut avoir différentes origines. Elle provient avantageusement du traitement d’une source renouvelable. Cette source renouvelable peut être du type biomasse lignocellulosique qui comprend notamment les substrats ligneux (feuillus et résineux), les sous-produits de l’agriculture (paille) ou ceux des industries génératrices de déchets lignocellulosiques (industries agroalimentaires, papeteries). La solution aqueuse de sucres peut également être obtenue à partir de plantes sucrières, comme par exemple la betterave sucrière et la canne à sucre, ou de leurs co-produits, ou encore à partir de plantes amylacées, comme le maïs ou le blé, ou de leurs co-produits. Par co-produits, il faut comprendre les mélasses et :ou jus desdites plantes sucrières ou amylacées.
Tout sucre en C5 naturellement présent dans les différentes biomasses lignocellulosiques (mono- ou dicotylédones) utilisés pour la production de biocarburant par voie biologique peut être fermenté par le procédé selon l'invention. De préférence les sucres en C5 sont choisis parmi le xylose et l’arabinose.
Tout sucre en C6 peut également être fermenté par le procédé selon l'invention. De préférence, les sucres en C6 sont choisis parmi le glucose, la mannose, le galactose. De manière plus préférée, le sucre en C6 est le glucose.
Avantageusement, les sucres en C5 et/ou C6 sont solubilisés dans ladite solution aqueuse de sucres. La concentration en sucres C5 et/ou C6 de ladite solution aqueuse de sucres est comprise entre 1 à 900 g/L, de préférence entre 10 et 600 g/L, préférentiellement comprise entre 20 et 500 g/L, de manière très préférée entre 25 et 150 g/L. De préférence, la solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 est une solution liquide.
Etape a) de fermentation
Conformément à l’invention, le procédé de production d’alcools comprend une étape a) de fermentation mettant en œuvre au moins une section réactionnelle qui comprend, de préférence consiste en :
- un bioréacteur mettant en œuvre une fermentation en présence d’un microorganisme génétiquement modifié, pour produire un flux fermentaire comprenant des gaz de fermentation et un moût de fermentation contenant des produits fermentaires,
- une zone de séparation pour séparer les gaz de fermentation et le moût de fermentation, et
- une zone d’analyse de la composition du moût de fermentation après séparation.
Avantageusement, la fermentation visée dans cette étape a) est avantageusement une fermentation de type IBE, en présence dudit microorganisme génétiquement modifié. Cependant, le microorganisme génétiquement modifié, n’étant pas stable, ses performances se dégradent en cours de fermentation, de plus en plus d’acétone est produit et inversement de moins en moins d’isopropanol est produit. Ainsi, le procédé selon l’invention comprend, de préférence consiste en, deux phases réactionnelles correspondant avantageusement à deux phases d’alimentation du bioréacteur, :
- une phase 1 au cours de laquelle la fermentation mise en œuvre dans le bioréacteur, qui est avantageusement alimenté par une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et un flux acétone, est une fermentation IBE pour produire avantageusement majoritairement du butanol, de l’isopropanol et de l’éthanol, et
- une phase 2 au cours de laquelle la fermentation mise en œuvre dans le bioréacteur, qui est avantageusement alimenté uniquement par une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6, est avantageusement poursuivie malgré une dégradation des performances du microorganisme génétiquement modifié.
Le terme « majoritairement » signifie ici, de préférence au moins 60% poids, préférentiellement au moins 80% poids, de manière préférée 90% poids, des solvants obtenus par fermentation. De préférence, les phases 1 et 2 sont successives et dans l’ordre phase 1 puis phase 2.
Ladite étape a) met en œuvre au moins une section réactionnelle, de préférence au moins deux sections réactionnelles, préférentiellement au moins cinq sections réactionnelles. Ladite étape a) met en œuvre avantageusement au plus trente sections réactionnelles, de préférence au plus vingt sections réactionnelles, de manière préférée au plus dix sections réactionnelles. Quel que soit le nombre de sections réactionnelles dans ladite étape a) du procédé selon l’invention, chaque section réactionnelle comprend, de préférence consiste en, un bioréacteur contenant un microorganisme génétiquement modifié et mettant en œuvre une fermentation, avantageusement une fermentation de type IBE avant dégradation des performances dudit microorganisme génétiquement modifié, une zone de séparation des gaz fermentaires du moût de fermentation et une zone d’analyse de la composition dudit moût de fermentation séparé des gaz.
Lorsque l’étape a) comprend avantageusement plusieurs sections réactionnelles, c’est-à-dire avantageusement au moins deux sections réactionnelles, lesdites sections réactionnelles fonctionnent en parallèle et de préférence de façon décalée dans le temps. En effet, chaque section réactionnelle met en œuvre parallèlement la fermentation, avantageusement la fermentation de type IBE visée, dans le bioréacteur qu’elle comprend, la séparation des gaz fermentaires du moût de fermentation produit et l’analyse dudit moût de fermentation séparé, de préférence de sorte que la fermentation débute dans chaque fermenteur avec un décalage dans le temps variant entre 5 heures et 20 jours, de préférence variant entre 0,5 et 15 jours, de manière préférée entre 1 et 6 jours.
Plus particulièrement, la fermentation mise en œuvre dans le bioréacteur, avantageusement pendant la phase 1 et la phase 2, est réalisée à une température comprise entre 25 et 40°C, de préférence entre 30 et 37°C, de manière préférée à 34°C. De préférence, la fermentation est mise en œuvre à un pH compris entre 4,0 et 7,0, de préférence entre 4,5 et 6,0. Avantageusement, la (ou les) section(s) réactionnelle(s) est(sont) opérée(s) à pression atmosphérique.
Avantageusement, le bioréacteur de chaque section réactionnelle, dans laquelle la fermentation est en cours, est alimenté par au moins, de préférence uniquement par, un flux d’alimentation. En fonction de la phase réactionnelle du procédé, ledit flux d’alimentation peut comprendre une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et un flux acétone (phase 1), ou uniquement une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 (phase 2). Le flux acétone présent dans le flux d’alimentation du bioréacteur comprend, de préférence consistant en, au moins une fraction d’un effluent acétone collecté avantageusement issu de l’étape c).
Plus précisément, lors de la phase 1 d’alimentation du bioréacteur, le flux d’alimentation comprend, de préférence consiste, en la solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et ledit flux d’acétone. Les quantités massiques introduites dans le(s) bioréacteur(s) en ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et en ledit flux acétone sont alors ajustées de sorte que la concentration en acétone dans ledit flux d’alimentation dudit bioréacteur est inférieure ou égale à 10 g/L, de préférence inférieure ou égale à 5 g/L, préférentiellement inférieure ou égale à 2 g/L, et de préférence supérieure strictement à 0, préférentiellement supérieure ou égale à 0,01 g/L. Lors de la phase 2, le flux d’alimentation comprend, de préférence consiste en, la solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6. Lors de la phase 2, l’alimentation du bioréacteur en ledit flux acétone est ainsi avantageusement arrêtée.
Ainsi, très avantageusement, le bioréacteur de chaque section réactionnelle de l’étape a) est alimenté selon deux phases, lesdites phases étant de préférence successives et de manière préférée dans l’ordre suivant :
- Phase 1 :
Lorsque la concentration, ou teneur, en acétone du moût de fermentation, déterminée dans la zone d’analyse, avantageusement par HPLC, est inférieure à 1 g/L (1 g d’acétone par litre de moût de fermentation), le flux d’alimentation qui alimente ledit bioréacteur, comprend, de préférence consiste en, ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et un flux acétone. La fermentation mis en œuvre pendant la phase 1 est avantageusement une fermentation IBE. Ledit flux acétone, de préférence sous forme liquide, comprend au moins une fraction d’un effluent acétone collecté, avantageusement issu de l’étape c). Ledit flux acétone peut éventuellement comprendre en outre un flux acétone exogène.
Ledit flux acétone exogène est avantageusement un flux d’acétone biocompatible, issu d’un procédé externe au procédé selon l’invention. Ledit flux d’acétone exogène peut provenir d’un autre procédé fermentaire, par exemple mettant en œuvre une fermentation ABE, ou d’un procédé « chimique » c’est-à-dire un procédé conventionnel ne mettant en œuvre aucune fermentation. Dans ce dernier cas, l’acétone produit par le procédé chimique est directement biocompatible, c’est-à-dire ne contient pas de poison des microorganismes utilisés dans l’étape a), ou est traité préalablement à son introduction dans le bioréacteur pour le rendre biocompatible. De manière préférée, le flux acétone exogène éventuel est mélangé à l’effluent acétone collecté pour former le flux acétone avant d’être introduit dans le (ou les) bioréacteur(s).
Avantageusement, les quantités massiques introduites dans ledit bioréacteur en ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et en ledit flux acétone, en d’autres termes les débits de ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et dudit flux acétone, sont ajusté(e)s de sorte que la concentration en acétone dudit flux d’alimentation à l’entrée du bioréacteur est inférieure ou égale à 10 g/L, de préférence inférieure ou égale à 5 g/L, préférentiellement inférieure ou égale à 2 g/L, et de préférence supérieure strictement à 0, préférentiellement supérieure ou égale à 0,01 g/L. La concentration en acétone dans ledit flux d’alimentation est définie comme étant la quantité pondérale d’acétone présente dans ledit flux d’alimentation du bioréacteur de chaque section réactionnelle de l’étape a), apportée par le flux acétone, c’est-à-dire apportée avantageusement par la fraction de l’effluent acétone collecté à l’étape c) et transféré, éventuellement mélangé à un flux acétone exogène, par rapport au volume total du flux d’alimentation dudit bioréacteur ;
- Phase 2 :
Lorsque la teneur en acétone du moût de fermentation, déterminée dans la zone d’analyse, avantageusement par HPLC, est supérieure ou égale à 1 g/L, le flux d’alimentation comprend, de préférence consiste en, ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6, c’est-à-dire que le bioréacteur de la section réactionnelle considérée est alimenté par, de préférence uniquement par, un flux d’alimentation consistant en ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6. Lorsque la concentration en acétone du moût fermentaire est supérieure ou égale à 1 g/L, il y a une instabilité avéré dudit microorganisme génétiquement modifié et l’alimentation en ledit flux acétone du bioréacteur est alors avantageusement arrêtée. Le bioréacteur restant alimenté en sucres, la fermentation se poursuit, même dégradée, produisant de fortes quantités d’acétone en remplacement de l’isopropanol.
La phase 2 peut durer dans le temps ou non, avantageusement selon la quantité d’acétone collectée souhaitée, selon la concentration en acétone du moût de fermentation et/ou selon l’état de réversion des microorganismes génétiquement modifiés. De manière préférée, la fermentation est arrêtée en fin de phase 2, en particulier par arrêt de l’alimentation du bioréacteur. De préférence, la phase 2 dure jusqu’à atteindre une quantité massique totale d’acétone produite par le microorganisme génétiquement modifié, c’est-à-dire une quantité totale de l’effluent acétone obtenu à l’issue de l’étape b), avantageusement pendant la phase 1 et la phase 2, supérieure ou égale à 30% massique, préférentiellement supérieure ou égale à 50% massique, de manière préférée supérieure ou égale à 80% massique, de manière très préférée supérieure ou égale à 90% massique, en particulier supérieure ou égale à 95% massique et plus particulièrement supérieure ou égale à 99% massique, de la capacité maximale de recyclage de l’acétone, et de préférence inférieure ou égale à la capacité maximale de recyclage de l’acétone à une marge près (c’est-à-dire ≤ (Capacité recyclage + marge)).
La marge correspond à une quantité d’acétone éventuellement produite par le microorganisme génétiquement modifié dans l’étape a), c’est-à-dire une quantité de l’effluent acétone obtenu à l’issue de l’étape b), au-delà de la capacité maximale de recyclage de l’acétone. De préférence, ladite marge correspond à au plus 100% massique, de préférence 50% massique, préférentiellement au plus 10% massique, de manière préférée au plus 5% massique, de manière très préférée au plus 1% massique, de la capacité maximale de recyclage de l’acétone. Elle peut être due par exemple à un léger décalage entre la phase de production, la phase d’analyse du moût et la phase de commande de l’arrêt.
La capacité maximale de recyclage de l’acétone est avantageusement la quantité maximale pouvant être recyclée dans le bioréacteur de l’étape a), en particulier pendant la phase 1, c’est-à-dire pouvant être introduite dans le bioréacteur et transformée par le microorganisme génétiquement modifié au moins partiellement en isopropanol, au cours de la phase 1. Elle est avantageusement déterminée comme suit et comme définie plus après :
Capacité recyclage = [Acétone] x dacétonex qsolution sucresx tphase1/ (dacétone- [Acétone])
Avec :
Capacité recyclage la capacité maximale de recyclage de l’acétone, exprimée en gramme ;
[Acétone] : la concentration en acétone du flux d’alimentation de la phase 1, exprimée en g/L (gramme par litre), qui est avantageusement inférieure ou égale à 10 g/L, de préférence inférieure ou égale à 5 g/L, préférentiellement inférieure ou égale à 2 g/L, et de préférence supérieure strictement à 0, préférentiellement supérieure ou égale à 0,01 g/L ;
dacétone: la densité de l’acétone à 20°C et à pression atmosphérique qui est égale à 784 g/L ;
qsolution sucres: le débit de la solution de sucres en C5 et/ou C6 du flux d’alimentation du bioréacteur pendant la phase 1, exprimé en L/h (litre par heure) ;
tphase1: le temps que dure la phase 1, exprimé en heure (ou h).
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, la fermentation peut être mise en œuvre en mode « semi-continu » ou « fed-batch » selon le terme anglo-saxon consacré. Dans ce mode de réalisation, le (ou les) bioréacteurs est(sont) alimenté(s) au fur et à mesure du lot par ledit flux d’alimentation. Un lot désigne, selon les connaissances de l’homme du métier, avantageusement le temps de mise en œuvre de la fermentation entre deux vidanges du(ou des) bioréacteur(s) et les opérations qui se déroulent pendant ce temps. Un lot dure de préférence entre 20 et 200 heures, préférentiellement entre 30 et 150 heures. De préférence, le volume utile du (des) bioréacteur(s) est compris entre 10 et 500 m3. De préférence, le (ou chaque) bioréacteur est initialement alimenté par une quantité de flux d’alimentation, comprenant de manière préférée une solution de sucres à concentration en sucres comprise entre 30 g/L et 90 g/L, de préférence entre 40 g/L et 60 g/L, qui correspond à un volume de préférence égal à la moitié du volume utile du (de chaque) bioréacteur. Au cours de la fermentation, chaque bioréacteur est alimenté, avantageusement en continu ou par pulse, par un flux d’alimentation à un débit compris avantageusement entre 10 et 5000 L/h, de préférence entre 20 et 2500 L/h et comprenant au moins une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 de préférence à une concentration en sucres comprise entre 500 et 800 g/L. La quantité de microorganismes introduits par lot et par bioréacteur correspond à un volume d’un milieu de culture des cellules (ou bactéries) au taux de croissance maximal et de sorte que ledit volume du milieu de culture est compris entre 2 et 10% du volume du milieu fermentaire (ou volume réactionnel). Une agitation continue est maintenue pour homogénéiser le milieu réactionnel, dans chaque bioréacteur. Un soutirage du butanol produit, sous forme liquide ou gaz, en continu ou par pulse, peut alors être mis en œuvre dans chaque bioréacteur, l’objectif de cette technique étant d’éliminer le butanol, toxique aux microorganismes, au fur et à mesure qu’il est produit par la souche. Cette technique est appelée ISPR pour In Situ Product Recovery selon le terme anglo-saxon et est bien connue de l’homme de métier (cf. Outram V.et al.« A comparison of the energy use ofin situproduct recovery techniques for the Acetone Butanol Ethanol fermentation » Bioresource Technology, 2016, 220, 590–600).
Selon un autre mode de réalisation particulier de l’invention, la fermentation peut être mise en œuvre en mode continu dit « simple » ou en « cellules libres ». Le (ou les) bioréacteur(s) est (sont) alors alimenté(s) en continu par ledit flux d’alimentation. Le débit d’alimentation en ledit flux d’alimentation est ajusté de sorte que le taux de dilution dans le (ou les) bioréacteur(s), exprimé en h-1et correspondant à l’inverse du temps de séjour (c’est-à-dire au débit dudit flux d’alimentation divisé par le volume, c’est-à-dire du volume utile, des bioréacteurs), comme bien connu de l’homme du métier, est compris entre 0,01 et 0,05 h-1, de préférence entre 0,0125 et 0,033 h-1. La concentration en sucres C5 et/ou C6 de ladite solution aqueuse de sucres dans ledit flux d’alimentation est avantageusement comprise entre 1 à 900 g/L, de préférence entre 10 et 600 g/L, préférentiellement comprise entre 20 et 500 g/L, de manière très préférée entre 25 et 150 g/L. Avantageusement, dans le cas d’une fermentation mise en œuvre en mode continu simple, la concentration en ledit microorganisme dans le milieu réactionnel, appelé aussi milieu de fermentation , est comprise entre 108et 1011cellules/mL de milieu réactionnel, de préférence entre 109et 1010cellules/mL de milieu réactionnel. Une agitation continue du milieu réactionnel dans le (ou les) bioréacteur(s) est avantageusement maintenue pour homogénéiser ledit milieu réactionnel. Dans ce mode de réalisation, les microorganismes et les produits formés sont soutirés, en continu ou par pulse, du (ou des) bioréacteur(s). Une technique ISPR, comme décrite ci-avant, peut en outre être appliquée pour éliminer le butanol, toxique pour les bactéries.
Selon un troisième mode de réalisation particulier de l’invention, la fermentation peut être mise en œuvre en mode continu « supporté » appelé encore mode continu confiné ou mode continu avec immobilisation cellulaire. Les microorganismes forment alors un biofilm sur un support solide, par exemple composé d’un matériau inorganique poreux, comme des argiles, d’une mousse métallique, d’une mousse polymérique, en particulier une mousse polyuréthane, la mousse polyuréthane étant préférée (cf. FR 3 086 670). Avantageusement, dans le cas d’une fermentation mise en œuvre en mode continu supporté, la concentration en microorganisme est comprise entre 107et 1010cellules/cm3de support solide, de préférence entre 108et 109cellules/cm3de support solide. Le support solide inoculé, c’est-à-dire le support solide contenant le biofilm de microorganisme, de préférence la mousse polyuréthane inoculée, est alors placé dans le ou chaque bioréacteur de sorte que le volume de support solide inoculé représente de préférence entre 1 et 50% du volume utile du bioréacteur, de manière préférée entre 5 et 30% du volume utile du bioréacteur. Le(ou les) bioréacteur(s) est(sont) alors alimenté(s) en continu par ledit flux d’alimentation. Le débit d’alimentation du (ou des) bioréacteur(s) en ledit flux d’alimentation est ajusté de sorte que le taux de dilution, exprimé en h-1, et correspondant à l’inverse du temps de séjour (c’est-à-dire au débit dudit flux d’alimentation divisé par le volume, c’est-à-dire du volume utile, des bioréacteurs), comme bien connu de l’homme du métier, est compris entre 0,01 et 0,40 h-1, de préférence entre 0,015 et 0,30 h-1, de manière préférée entre 0,02 et 0,20 h-1. La concentration en sucres C5 et/ou C6 de ladite solution aqueuse de sucres dans ledit flux d’alimentation est avantageusement comprise entre 1 à 900 g/L, de préférence entre 10 et 600 g/L, préférentiellement comprise entre 20 et 500 g/L, de manière très préférée entre 25 et 150 g/L. Une agitation continue du milieu réactionnel dans le (ou les) bioréacteur(s) est avantageusement maintenue pour homogénéiser ledit milieu réactionnel. Dans ce mode de réalisation, les microorganismes et les produits formés sont soutirés, en continu ou par pulse, du (ou des) bioréacteur(s). Une technique ISPR, comme décrite ci-avant, peut en outre être appliquée pour éliminer le butanol, toxique pour les bactéries.
De manière préférée, la fermentation est mise en œuvre en mode continu simple ou continu avec immobilisation cellulaire, et préférentiellement en mode continu avec immobilisation cellulaire.
Avantageusement, pour chaque section réactionnelle dans l’étape a), la fermentation mise en œuvre dans le bioréacteur produit un flux fermentaire comprenant des gaz de fermentation, contenant en particulier du dioxyde de carbone (CO2) et de l’hydrogène, et un moût de fermentation comprenant des produits fermentaires, contenant en particulier du n-butanol (ou butanol), de l’isopropanol, de l’éthanol et de l’acétone. Le moût de fermentation comprend également avantageusement de l’eau. Il peut également contenir éventuellement de la matière solide, qui est soutirée directement du bioréacteur ou qui sera séparée ultérieurement dans l’étape b).
Ledit flux fermentaire produit dans le bioréacteur est avantageusement traité ensuite dans ladite zone de séparation pour séparer les gaz fermentaires et le moût de fermentation. Ladite zone de séparation peut éventuellement se situer dans la partie supérieure du fermenteur qui comprend un système d’évacuation des gaz.
Après séparation du moût de fermentation, sa composition est analysée dans ladite zone d’analyse, pour déterminer la teneur, ou concentration, en acétone dudit moût de fermentation. Toute méthode d’analyse connue de l’Homme du métier peut être utilisée. La méthode d’analyse préférée est avantageusement la chromatographie en phase liquide (HPLC), en particulier utilisant une colonne d’exclusion ionique, plus particulièrement une colonne de perméation sur gel, par exemple une colonne de type Shodex Ionpack KC-811, ladite colonne d’exclusion ionique étant couplée à un réfractomètre et un détecteur UV, comme décrit notamment dans Mate de Gerandoet al. Applied Microbiology and Biotechnology 2016, 12 :5427–5436. Ladite zone d’analyse est de préférence située en aval du fermenteur, de manière préférée sur un conduit en sortie de bioréacteur, ledit conduit étant avantageusement le conduit d’évacuation du moût fermentaire. Ladite zone d’analyse comprend de préférence un système d’analyse de la composition du moût fermentaire, par exemple un système d’analyse en ligne dudit moût fermentaire ou un système comprenant un moyen de prélèvement dudit moût fermentaire et un moyen d’analyse du prélèvement, ledit système d’analyse mettant en œuvre de préférence la méthode de chromatographie en phase liquide (HPLC).
L’analyse de la composition du moût produit dans chaque section réactionnelle de l’étape a), qui a pour objectif de déterminer la quantité d’acétone co-produite avec les alcools visés, tout au long de la fermentation, permet de définir l’état des microorganismes modifiés (c’est-à-dire s’ils sont avant/après réversion dégradation des performances) et par conséquent d’ajuster la composition du flux d’alimentation du bioréacteur de chaque section réactionnelle afin d’utiliser de façon optimale la capacité des microorganismes modifiés à convertir d’une part les sucres C5 et/ou C6 et d’autre part l’acétone en isopropanol.
Avantageusement, le moût de fermentation obtenu à l’issu de chaque section réactionnelle de l’étape a), c’est-à-dire le moût de fermentation qui a été produit dans le bioréacteur puis séparé des gaz fermentaires, est ensuite traité au cours de l’étape b)
Etape b) de traitement
Conformément à l’invention, le procédé de production d’alcools comprend une étape b) de traitement du moût de fermentation obtenu à l’issue de l’étape a). L’étape b) permet d’obtenir au moins un effluent acétone et un effluent aqueux d’alcools.
Avantageusement, l’étape b) met en œuvre une section de récupération du moût de fermentation issu de l’étape a), suivie d’une section d’extraction pour extraire au moins un effluent acétone et un effluent aqueux d’alcools comprenant les alcools produits par le microorganisme.
Ladite section de récupération comprend avantageusement un système de conduits pour récupérer le moût de fermentation. Lorsque l’étape a) comprend plusieurs, de préférence au moins 2, préférentiellement au moins 5, sections réactionnelles, ladite section de récupération comprend un système de conduits et une phase de mélange qui permettent de récupérer et mélanger l’ensemble des moûts de fermentation produits dans lesdites sections réactionnelles. Ladite section de récupération peut également comprendre un système de séparation notamment des matières solides éventuellement contenues dans le moût de fermentation récupéré, par exemple par gravitation pour soutirage.
Ladite section de récupération de l’étape b) permet d’obtenir un flux aqueux de produits fermentaires, comprenant du butanol, de l’isopropanol, de l’éthanol l’acétone et de l’eau. Ledit flux aqueux est avantageusement envoyé ensuite dans la section d’extraction.
Ladite section d’extraction permet de séparer l’acétone des alcools. La séparation de l’acétone du flux aqueux de produits fermentaires peut être opérée selon toute méthode connue de l’Homme du métier, comme par exemple par distillation(s), fractionnement(s), etc. La section d’extraction peut notamment mettre en œuvre une succession de distillations. Ainsi dans un mode de réalisation particulier de l’invention, l’étape b) met en œuvre dans ladite section d’extraction :
- b-1) une distillation du flux aqueux de produits fermentaires dans une colonne à bière pour obtenir en fond de ladite colonne à bière un flux d’eau et en tête de colonne à bière un mélange aqueux de solvants,
- b-2) une distillation du mélange aqueux de solvants dans une colonne de distillation, pour obtenir en tête de colonne ledit effluent acétone et en fond de colonne ledit effluent aqueux d’alcools.
Le mélange aqueux de solvants extrait en tête de la colonne à bière de l’étape b-1) de ce mode de réalisation particulier comprend de l’eau, du n-butanol (nommé encore butanol selon l’invention), de l’isopropanol, de l’éthanol et de l’acétone. Ladite colonne à bière de l’étape b-1) peut avantageusement être équipée d’un système de rebouillage, de préférence par recompression des vapeurs de tête. Elle peut également comprendre un système de recycle de reflux.
Le mélange aqueux de solvants, extrait en tête de la colonne à bière de l’étape b-1) du mode de réalisation particulier, est ensuite envoyé dans une colonne de distillation, appelé encore « colonne à acétone ». Le rôle de la colonne à acétone de l’étape b-2) est de séparer l'acétone des alcools, l'acétone étant extrait en tête de la colonne, et de produire ledit effluent aqueux d’alcools, avantageusement concentré en isopropanol-butanol-éthanol, qui est soutiré en fond de ladite colonne à acétone.
Avantageusement, l’effluent acétone obtenu à l’issue de l’étape c) présente une concentration en acétone supérieure ou égale à 95% poids, de préférence supérieure ou égale à 98% poids, de manière préférée supérieure ou égale à 99,5% poids par rapport au poids dudit effluent acétone. Ledit effluent aqueux d’alcools comprend, quant à lui, de l’eau et un mélange d’alcools, lesdits alcools étant ceux avantageusement produits lors de la fermentation IBE, en particulier le n-butanol (nommé butanol), l’éthanol et l’isopropanol.
De préférence, ledit flux aqueux d’alcools pourra ensuite être traité dans une étape supplémentaire de séparation des alcools. Ladite éventuelle étape supplémentaire de séparation des alcools comprend une colonne de distillation, alimentée par l’effluent aqueux d’alcools issu de l’étape b) du procédé. Elle permet de séparer au moins un effluent butanol et un effluent hydroalcoolique comprenant l’éthanol et l’isopropanol.
Etape c) de recyclage
Le procédé de production d’alcools selon l’invention comprend avantageusement une étape c) de recyclage au moins en partie de l’acétone co-produite lors de la fermentation dans chaque bioréacteur de l’étape a) vers ladite étape a) de fermentation, de manière à transformer cette acétone co-produite, au moins en partie, en isopropanol en utilisant la capacité de conversion des microorganismes de l’acétone en isopropanol, dans le but d’optimiser les rendements en alcools et en particulier en isopropanol.
Ainsi, l’étape c) de recyclage du procédé de production d’alcools met en œuvre avantageusement (i) une section de collecte d’au moins une fraction, en particulier de la totalité, de l’effluent acétone issu de l’étape b), pour obtenir au moins un effluent acétone collecté, et (ii) une section de recyclage permettant au moins de transférer une fraction ou la totalité de l’effluent acétone collecté vers l’étape a) pendant la phase 1 afin de composer au moins en partie le flux acétone.
Avantageusement, l’étape c) de recyclage met en œuvre une section de collecte pour collecter au moins une fraction de l’effluent acétone issu de l’étape b). Cette section de collecte permet d’obtenir un effluent acétone collecté, correspondant avantageusement à la fraction de l’effluent acétone issu de l’étape b) collectée, et éventuellement un effluent acétone non collecté, qui correspond à la fraction de l’effluent acétone issu de l’étape b) qui ne serait pas collectée.
De préférence, la fraction de l’effluent acétone issu de l’étape b) qui est collectée dans la section de collecte de l’étape c), représente au moins 50% poids, de préférence au moins 90% poids, préférentiellement au moins 95% poids, de manière préférée au moins 99% poids, de l’effluent acétone issu de l’étape b), ), c’est-à-dire de l’acétone total produit par le microorganisme génétiquement modifié. L’autre fraction éventuelle de l’effluent acétone issu de l’étape b), qui n’est éventuellement pas collectée dans la section de collecte de l’étape c), constitue ledit effluent acétone non collecté. De préférence, l’éventuel effluent acétone non collecté représente au plus 50% poids, de préférence au plus 90% poids, préférentiellement au plus 95% poids, de manière préférée au plus 99% poids, de l’effluent acétone issu de l’étape b). L’éventuel effluent acétone non collecté peut être purgé et peut parfois être considéré comme un flux acétone produit par le procédé, puisqu’il est récupéré en sortie de procédé.
De manière préférée, l’effluent acétone issu de l’étape b) est, au moins en partie, collectée dans la section de collecte de l’étape c), tant que la quantité massique de l’effluent acétone issu de b), c’est-à-dire la quantité totale d’acétone produite par le microorganisme génétiquement modifié, est inférieure ou égale à la capacité maximale de recyclage de l’acétone. L’éventuel effluent acétone non collecté, lorsqu’il existe, correspond alors à l’autre fraction de l’effluent acétone issu de b) qui n’est éventuellement pas collectée tant que la quantité massique de l’effluent acétone issu de b) reste inférieure ou égale à la capacité maximale de recyclage de l’acétone, et/ou à fraction de l’effluent acétone issu de b), c’est-à-dire à la quantité d’acétone éventuellement produite par le microorganisme génétiquement modifié, au-delà de la capacité maximale de recyclage d’acétone du bioréacteur.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, l’éventuel effluent acétone non collecté de l’étape c), lorsqu’il existe, correspond, et de préférence uniquement, à la quantité d’acétone éventuellement produite au-delà de la capacité maximale de recyclage d’acétone d’un bioréacteur. Selon ce mode de réalisation préféré de l’invention, l’effluent acétone issu de l’étape b) est, en totalité, collectée dans la section de collecte de l’étape c) tant que la quantité massique de l’effluent acétone issu de b) est inférieure ou égale à la capacité maximale de recyclage de l’acétone ; et l’acétone éventuellement produite au-delà de la capacité maximale de recyclage d’acétone n’est pas collectée à l’étape c), constituant ledit éventuel effluent acétone non collecté.
Avantageusement, la capacité maximale de recyclage de l’acétone représente la quantité maximale pouvant être recyclée dans le bioréacteur de l’étape a), en particulier pendant la phase 1, c’est-à-dire pouvant être introduite dans le bioréacteur et transformée par le microorganisme génétiquement modifié, au moins partiellement, en isopropanol, au cours de la phase 1. La capacité maximale de recyclage est avantageusement déterminée de la manière suivante :
Capacité recyclage = [Acétone] x dacétonex qsolution sucresx tphase1/ (dacétone- [Acétone])
Avec :
Capacité recyclage la capacité maximale de recyclage de l’acétone, exprimée en gramme ;
[Acétone] : la concentration en acétone du flux d’alimentation de la phase 1, exprimée en g/L (gramme par litre), qui est avantageusement inférieure ou égale à 10 g/L, de préférence inférieure ou égale à 5 g/L, préférentiellement inférieure ou égale à 2 g/L, et de préférence supérieure strictement à 0, préférentiellement supérieure ou égale à 0,01 g/L ;
dacétone: la densité de l’acétone à 20°C et à pression atmosphérique qui est égale à 784 g/L ;
qsolution sucres: le débit de la solution de sucres en C5 et/ou C6 du flux d’alimentation du bioréacteur pendant la phase 1, exprimé en L/h (litre par heure) ;
tphase1: le temps que dure la phase 1, exprimé en heure (ou h).
Ainsi, par exemple, si la concentration en acétone du flux d’alimentation, qui alimente le bioréacteur pendant la phase 1, est égale à 10 g/L, la capacité maximale de recyclage d’acétone peut alors être calculée de la manière suivante :
Capacité recyclage (@10g/L) = 10,13 x qsolution sucresx tphase1
Avec :
Capacité recyclage (@10g/L) : la capacité maximale de recyclage de l’acétone, lorsque le flux d’alimentation lors de la phase 1 est concentré à 10 g/L en acétone ;
qsolution sucres: le débit de la solution de sucres qui alimente le bioréacteur, pendant la phase 1, exprimée en L/h ;
tphase1: le temps que dure la phase 1, exprimé en heure.
Si la concentration en acétone du flux d’alimentation, qui alimente le bioréacteur pendant la phase 1, est, par exemple, égale à 5 g/L, la capacité maximale de recyclage d’acétone peut alors être calculée de la manière suivante :
Capacité recyclage (@5g/L) = 5,03 x qsolution sucresx tphase1
Avec :
Capacité recyclage (@5g/L) : la capacité maximale de recyclage de l’acétone, lorsque le flux d’alimentation lors de la phase 1 est concentré à 5 g/L en acétone ;
qsolution sucres: le débit de la solution de sucres qui alimente le bioréacteur, pendant la phase 1, exprimé en L/h ;
tphase1: le temps que dure la phase 1, exprimé en heure.
Si la concentration en acétone du flux d’alimentation, qui alimente la bioréacteur pendant la phase 1, est, par exemple, égale à 2 g/L, la capacité maximale de recyclage d’acétone peut alors être calculée de la manière suivante :
Capacité recyclage (@2g/L) = 2,01 x qsolution sucresx tphase1
Avec :
Capacité recyclage (@2g/L) : la capacité maximale de recyclage de l’acétone, lorsque le flux d’alimentation lors de la phase 1 est concentré à 2 g/L en acétone ;
qsolution sucres: le débit de la solution de sucres qui alimente le bioréacteur, pendant la phase 1, exprimé en L/h ;
tphase1: le temps que dure la phase 1, exprimé en heure.
Avantageusement, l’étape c) met également en œuvre une section de recyclage, en particulier située en aval de la section de collecte. Cette section de recyclage permet notamment de transférer au moins une fraction, de préférence la totalité, de de l’effluent acétone collecté vers l’étape a) pendant la phase 1 afin de composer au moins en partie ledit flux acétone du flux d’alimentation qui alimente le bioréacteur pendant la phase 1 (c’est-à-dire lorsque la teneur en acétone du moût de fermentation produit par ledit bioréacteur est inférieure à 1 g/L).
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, ladite section de recyclage de l’étape c) comprend une zone de stockage pour éventuellement stocker l’effluent acétone collecté et une zone de transfert, pour transférer au moins une fraction de l’effluent acétone collecté vers l’étape a) pendant la phase 1. La zone de transfert peut se situer en amont ou en aval de la zone de stockage, comprenant avantageusement une capacité tampon. De préférence, la zone de transfert se situe en aval de la zone de stockage, de manière à pouvoir réguler la quantité d’acétone transférée vers l’étape a) en phase 1 (c’est-à-dire réguler le débit du flux acétone) et respecter la condition de concentration en acétone du flux d’alimentation (≤ 10 g/L, de préférence ≤ 5 g/L, de manière préférée ≤ 2 g/L) en stockant tout ou partie de l’effluent acétone collecté. De manière préférée, l’effluent acétone collecté est envoyé vers ladite zone de stockage dans laquelle il est stocké au moins en partie, puis au moins une fraction dudit effluent acétone collecté est transféré de la zone de stockage vers l’étape a) pendant la phase 1, via la zone de transfert. L’avantage de ce mode de réalisation réside dans la présence de cette zone de stockage, comprenant avantageusement une capacité tampon, dans laquelle l’acétone produite à des quantités parfois importantes, notamment après réversion des microorganismes modifiés et en particulier en fin de fermentation IBE lorsque les microorganismes modifiés sont proches de la dégradation « élevée » des performances, est stockée avant d’être recyclée vers l’étape a) où elle sera valorisée en isopropanol.
En fonction du nombre de sections réactionnelles mises en œuvre dans l’étape a) et de l’état des microorganismes génétiquement modifiés dans chacune d’elles, le flux entrant dans la zone de stockage, c’est-à-dire la quantité d’acétone collectée, peut être supérieur au flux sortant de ladite zone de stockage, c’est-à-dire supérieur à la fraction de l’effluent acétone collecté transférée vers l’étape a), comme c’est le cas en particulier pendant la phase 2 pendant laquelle il n’y a pas de transfert d’acétone de l’’étape c) vers l’étape a). La zone de stockage se remplit alors progressivement. Si la zone de stockage est pleine, c’est-à-dire au maximum de sa capacité, la fermentation de l’étape a) devra être arrêtée.
Le procédé selon l’invention peut fonctionner en mode continu ou semi-continu, comme décrit plus avant. De préférence, le procédé fonctionne en mode continu, et de manière préférée, l’étape a) fonctionne en mode continu confiné et les étapes b) et c) en mode continu.
Etape d) éventuelle de régénération
Avantageusement, le procédé de production d’alcools de l’invention peut comprendre, de préférence comprend, une étape d) de régénération.
Cette éventuelle étape d) est mise en œuvre après les étapes a), b), c). Elle comprend l’arrêt de la fermentation par arrêt de l’alimentation du bioréacteur en le flux d’alimentation, la vidange et le nettoyage dudit bioréacteur, éventuellement suivi de la stérilisation du bioréacteur, puis la ré-inoculation du bioréacteur en microorganisme génétiquement modifié frais.
Lorsque la quantité totale d’acétone collectée dans l’étape c), avantageusement pendant les phases 1 et 2 du cycle de production, atteint la capacité maximale de recyclage d’acétone, avec une marge de plus ou moins 10%, de préférence plus ou moins 5%, préférentiellement plus ou moins 1%, toute alimentation dudit bioréacteur, c’est-à-dire l’alimentation en ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et en ledit flux acétone, est stoppée. Le bioréacteur n’étant plus alimenté en ledit flux d’alimentation, la fermentation s’arrête alors.
De préférence, l’éventuelle étape d) débute après la phase 1 de l’étape a). De manière préférée, l’éventuelle étape d) débute lorsque la quantité totale d’acétone produite par le microorganisme génétiquement modifié, c’est-à-dire la quantité de l’effluent acétone obtenu à l’issue de l’étape b), atteint à une capacité maximum d’acétone produite, en d’autres termes lorsque la quantité de l’effluent acétone obtenu à l’issue de l’étape b) devient égale à ladite capacité maximum d’acétone produite. La fermentation est alors avantageusement arrêtée afin d’éviter une production d’acétone non recyclable par le procédé trop importante. Ladite capacité maximum d’acétone produite peut être déterminée par :
Capacité max = Capacité recyclage + marge
Où :
Capacité max : la capacité maximum d’acétone produite, exprimée en gramme ;
Capacité recyclage : la capacité maximale de recyclage de l’acétone, exprimée en gramme ;
marge : une quantité d’acétone produite éventuellement par le microorganisme génétiquement modifié, au-delà de la capacité maximale de recyclage de l’acétone, exprimée en gramme.
L’éventuelle étape d) peut aussi débuter pendant la phase 2 lorsque la quantité totale de l’effluent acétone obtenu à l’issue de l’étape b), avantageusement pendant la phase 1 et la phase 2, supérieure ou égale à 30% massique, préférentiellement supérieure ou égale à 50% massique, de manière préférée supérieure ou égale à 80% massique, de manière très préférée supérieure ou égale à 90% massique, en particulier supérieure ou égale à 95% massique et plus particulièrement supérieure ou égale à 99% massique, de la capacité maximale de recyclage de l’acétone. L’éventuelle étape d) peut également débuter lorsque l’éventuelle zone de stockage est pleine,
La marge correspond à une quantité d’acétone éventuellement produite par le microorganisme génétiquement modifié dans l’étape a), c’est-à-dire une quantité de l’effluent acétone obtenu à l’issue de l’étape b), au-delà de la capacité maximale de recyclage de l’acétone. De préférence, ladite marge correspond à au plus 100% massique, de préférence 50% massique, préférentiellement au plus 10% massique, de manière préférée au plus 5% massique, de manière très préférée au plus 1% massique, de la capacité maximale de recyclage de l’acétone. La marge peut être due par exemple à un léger décalage entre la phase de production, la phase d’analyse du moût et la phase de commande de l’arrêt.
Ainsi lorsque l’étape d) début, de manière préférée lorsque quantité totale d’acétone produite par le microorganisme génétiquement modifié atteint à la capacité maximum d’acétone produite, toute alimentation dudit bioréacteur, c’est-à-dire l’alimentation en ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et en ledit flux acétone, est avantageusement stoppée. Le bioréacteur n’étant plus alimenté en ledit flux d’alimentation, la fermentation s’arrête alors.
L’étape d) permet ainsi de limiter la production d’acétone non collectée et donc non recyclée vers le(s) bioréacteur(s) et d’optimiser au mieux la valorisation de l’acétone produite par les microorganismes génétiquement modifiés.
Lorsque la fermentation est arrêtée dans le bioréacteur, par arrêt de l’alimentation en ledit flux d’alimentation, ledit bioréacteur peut avantageusement être régénéré : le bioréacteur peut ainsi être vidangé (c’est-à-dire vidé de tout contenu liquide et/ou solide, et éventuellement gazeux), nettoyé, et de préférence stérilisé, puis réinoculé en microorganisme génétiquement modifié frais, c’est-à-dire issu d’une chaîne de propagation. Lors de l’étape d), le bioréacteur est considéré alors en « mode de régénération ». Après chargement en microorganismes génétiquement modifiés frais, le bioréacteur redevient opérationnel et peut à nouveau être utilisé dans l’étape a) du procédé.
Très avantageusement, le procédé comprend en outre une étape e) de réitération d’au moins les étapes a), b) et c), de préférence des étapes a), b), c), et d), située en aval de l’étape d).
Selon un mode de réalisation très préféré de l’invention, le procédé comprend, de préférence consiste en :
- l’étape a) de fermentation
- l’étape b) de traitement du moût de fermentation
- l’étape c) de recyclage mettant en œuvre
(i) une section de collecte pour collecter l’effluent acétone issu de l’étape b) en totalité tant que tant que la quantité massique de l’effluent acétone issu de b) est inférieure ou égale à la capacité maximale de recyclage de l’acétone, pour obtenir l’effluent acétone collecté, et purger l’effluent acétone issu de l’étape b) au-delà de la capacité maximale de recyclage de l’acétone, et
(ii) une section de recyclage comprenant une zone de stockage pour récupérer l’effluent acétone collecté, puis une zone de transfert pour transférer au moins une fraction de l’effluent acétone collecté vers l’étape a) pendant la phase 1 afin de composer le flux acétone du flux d’alimentation du bioréacteur en phase 1
- l’étape d) de régénération qui débute lorsque la quantité totale d’acétone produite par le microorganisme génétiquement modifié, c’est-à-dire la quantité de l’effluent acétone obtenu à l’issue de l’étape b), atteint à la capacité maximum d’acétone produite,
- l’étape e) de réitération des étapes précédents.
Le procédé selon l’invention permet ainsi de réintégrer l’acétone co-produit, notamment en grandes quantités après réversion des microorganismes modifiés utilisés pour la fermentation IBE, au milieu fermentaire dans un bioréacteur pour le faire réassimiler par les microorganismes modifiés qu’il contient, avant leur réversion, et le convertir en isopropanol. Le procédé selon l’invention permet ainsi de parer à l’inconvénient d’instabilité des souches OGM deClostridiumtout en utilisant leur performances de production notamment de début de fermentation IBE. Le procédé selon l’invention permet donc d’améliorer sensiblement le rendement global de conversion des sucres en alcools par rapport à un procédé de fermentation IBE plus classique qui utilise des souches naturelles et/ou modifiées mais sans système de recyclage de l’acétone co-produit.
Le procédé selon la présente invention permet également de valoriser de l’acétone exogène, en le convertissant en isopropanol, et ceci à des pressions faibles par rapport à un procédé conventionnel utilisant voie chimique.
Les exemples qui suivent sont présentés à titre illustratif et non limitatif du procédé selon l’invention.
Selon l’invention, en particulier dans les exemples, l’unité de poids « tonne » s’écrit « t », l’unité de poids « gramme » s’écrit « g », l’unité de temps « heure » s’écrit « h ».
Exemples
Les exemples ci-dessous sont construits à partir des résultats issus de tests laboratoire réalisés en présence d’une soucheClostridium acetobutylicum ATCC 824génétiquement modifiée. Les souches OGM deClostridium acetobutylicum ATCC 824génétiquement modifiées produisent à partir des sucres en C5 et/ou C6 des solvants selon la répartition, exprimée en pourcentage pondéral en Isopropanol / Butanol / Ethanol / Acétone suivante :
- avant toute dégradation des performances : 40%/ 53,8 %/ 5,2%/ 1 %
- début de dégradation des performances jusqu’à 36%/ 53,8%/ 5,2%/ 5% ;
- et avec les souches défaillantes : entre et jusqu’à 1%/ 53,8%/ 5,2%/ 40%.
La concentration en solvants (Isopropanol / Butanol / Ethanol / Acétone) du moût fermentaire est de 20 g/L. Ainsi, :
- avant dégradation des performances (phase 1 du cycle de production), la teneur en acétone du moût de fermentation est de 0,2 g/L (début de fermentation des microorganismes génétiquement modifiés) jusqu’à une teneur maximale en acétone du moût de fermentation de 1 g/L ;
- avec les souches défaillantes, la teneur en acétone du moût de fermentation est supérieure ou égale à 1 g/L et peut atteindre 8 g/L.
L'unité de production fermentaire met en œuvre une unité de fermentation comprenant 4 fermenteurs qui traite une solution aqueuse de glucose (sucre en C6) de 63,3 g/L. Le volume total des fermenteurs de l'unité de fermentation est de 14 000 m3. La consommation de sucres de l’usine est d’environ 125 000 t/an de glucose correspondant à un débit de 246 807 L/h de solution aqueuse de glucose et à un taux de dilution de 0,022 h-1.
Les fermenteurs fonctionnent à 37°C, à pression atmosphérique et à un pH compris entre 4,5 et 6. L’unité fonctionne en mode continu simple. La quantité de microorganismes est comprise entre 109et 1010cellules/mL de milieu réactionnel.
Chaque fermenteur comprend une zone de séparation pour séparer les gaz fermentaires du moût et un système d’évacuation du moût de fermentation, sur lequel se situe, en sortie de fermenteur, une zone d’analyse comprenant une chaîne d’analyse HPLC.
L’unité de production comprend également une unité de traitement du moût de fermentation récupéré, notamment une unité de séparation de l’acétone, comprenant une colonne à bière suivie d’une colonne à acétone, pour séparer l’acétone produite des alcools.
Exemple 1 (non conforme) : Procédé avec les microorganismes génétiquement modifiés, sans recyclage de l’Acétone produit
Dans l’Exemple 1, le cycle de production mis en œuvre dans l’unité de production comprend 2 phases : une phase de production et une phase d’arrêt.
La phase de production dure 1 500 heures. Pendant la phase de production , la concentration en acétone augmente progressivement de 0,2 g/L à 1 g/L et la concentration en isopropanol baisse de 8 g/L à 7,2 g/L, les concentrations en butanol et éthanol restant stables et égales respectivement à 10,8 g/L et 1 g/L.
Le Tableau 1 résume les quantités des différents solvants produits pendant la phase de production.
| Solvants | Quantités produites (t) |
| Acétone | 225 |
| Ethanol | 390 |
| Isopropanol | 2850 |
| Butanol | 4035 |
Au bout de cette phase production de 1500 h, la fermentation est arrêtée, les bioréacteurs sont vidangés, nettoyés, stérilisés puis ré- inoculés pour une nouvelle phase de production. Cette phase d’arrêt dure environ 150 h.
En 3665 h, l’usine réalise 2,22 cycles de production, soit 2 cycles entiers (c’est-à-dire 2 phases de production de 1500 h et 2 phases d’arrêt de 150h) et 365 h de production d’un 3ièmecycle. Les quantités produits de solvants sortant de l’usine sont présentées dans le Tableau 2 ci-dessous.
En 12495 h, l’usine réalise environ 7,57 cycles de production, soit 7 cycles entiers (c’est-à-dire 7 phases de production de 1500 h et 7 phases d’arrêt de 150h) et 945 h de production d’un 8ièmecycle . Les quantités produits de solvants sortant de l’usine sont présentées dans le Tableau 2 ci-dessous.
| Solvants | Quantités produites (t) pendant 3665 h | Quantités produites (t) pendant 124965 h |
| Acétone | 504,75 | 1716,75 |
| Ethanol | 874,90 | 2975,70 |
| Isopropanol | 6393,50 | 20824,13 |
| Butanol | 9051,85 | 30787,05 |
| TOTAL | 16825,00 | 56303,63 |
| Temps total d’arrêt | 300 heures | 1050 heures |
En 3665 h (environ 5 mois), l’usine produit 16 825 tonnes de solvants, dont 6 394 tonnes d’isopropanol, soit environ 38% poids (38%=100x3694/16825) d’isopropanol par rapport aux quantités totales de solvants produits, et 505 tonnes d’acétone, soit environ 3% poids (3%=100x505/16825) d’acétone par rapport aux quantités totales de solvants produits, avec un temps d’arrêt total de 300 heures.
En 12495 h (environ 1,5 ans), l’usine produit 56 304 t de solvants, dont 20 824 tonnes d’isopropanol, soit environ 37% poids d’isopropanol par rapport à la quantité totale de solvants produits, et 1717 t d’acétone, soit environ 3% poids d’acétone par rapport à la quantité totale de solvants produits. Le temps total d’arrêt de production pour nettoyage, stérilisation / ré-inoculation des bioréacteurs, est de 7 x 150 h = 1050 h.
Exemple 2 (conforme) Procédé selon l’invention, avec les microorganismes génétiquement modifiés, avec recyclage de l’acétone produit
Le procédé décrit dans l’Exemple 2 reprend les conditions et paramètres du procédé décrit dans l’Exemple 1, mais l’unité de production comprend en plus une zone de collecte de l’acétone produite, une capacité tampon pour stocker l’acétone récupéré et un système de transfert pour recycler l’acétone vers les fermenteurs.
De plus, dans l’Exemple 2, lorsque l’unité de production est en phase de production stationnaire, c’est-à-dire en dehors de la phase de démarrage, le cycle de production comprend 2 phases réactionnelles (Phase 1 et Phase 2) et une étape de régénération.
- Phase 1 : pendant laquelle les souches génétiquement modifiées présentent une performance maximale. La concentration en acétone du moût augmente progressivement de 0,2 g/L à 1 g/L et la concentration en isopropanol baisse de 8 g/L à 7,2 g/L, les concentrations en butanol et éthanol restant stables et égales respectivement à 10,8 g/L et 1 g/L. Pendant la phase 1, les bioréacteurs sont alimentés par un flux d’alimentation composé de ladite solution de glucose à 63,3 g/L et d’un flux d’acétone recyclé issu de la capacité tampon, de sorte que la teneur en acétone du flux d’alimentation 10 g/L. La phase 1 dure 1500 heures.
La capacité maximale de recyclage de l’acétone, dans le cas du procédé de l’Exemple 2 est alors de :
Capacité max (@10g/L) = 10,13 x qsolution sucresx tphase1= 3750 t (avec qsolution sucres= 246 807 L/h ; tphase1= 1500 h),
Le Tableau 3 résume les quantités des différents solvants produits pendant la Phase 1 d’un cycle de production (phase stationnaire de production, c’est-à-dire hors phase de démarrage de l’unité).
| Solvants | Quantités produites (t) – Phase 1 |
| Acétone | 600 |
| Ethanol | 390 |
| Isopropanol | 6225 |
| Butanol | 4035 |
Les souches deClostridium acetobutylicum ATCC 824génétiquement modifiées utilisées et contenues dans les fermenteurs de l’unité de fermentation ont assimilé l’acétone recyclée et l’ont converti en isopropanol avec un rendement de l’acétone en isopropanol de 90% poids.
- Phase 2 : le moût de fermentation a atteint une concentration en acétone de 1 g/L, les souches génétiquement modifiées sont considérées défaillantes. Les bioréacteurs sont alimentés uniquement en ladite solution de glucose 63,3 g/L. Pendant la phase 2, la concentration en acétone du moût augmente encore progressivement de 1 g/L à 8 g/L pendant 1000 h puis reste stable à 8 g/L pendant 1015 h.
Le Tableau 4 résume les quantités des différents solvants formés pendant l’ensemble des phases 1 et 2 d’un cycle de production (phase stationnaire de production).
| Solvants | Quantités produites (t) – Phases 1-2 |
| Acétone | 3755,0 |
| Ethanol | 913,9 |
| Isopropanol | 7200,75 |
| Butanol | 9455,35 |
Il apparait que 3755 t d’acétone sont formés pendant les phases 1 et 2 d’un cycle de production (soit 1500+1000+1515 = 3515 heures de production au total). La capacité maximale de recyclage de l’acétone (Capacité max (@10g/L) = 3750 t) est donc atteinte. L’alimentation des bioréacteurs est stoppée.
Par ailleurs, l’acétone formée pendant les phases 1 et 2 (soit 3755 t) est divisée en deux :
- 3750 tonnes d’acétone, soit environ 99,9% poids de l’acétone formée pendant un cycle de production (plus particulièrement pendant les phases 1 et 2 du cycle de production), sont récupérés et stockés dans la capacité tampon pour pouvoir être ensuite recyclés vers les bioréacteurs au cycle de production suivant ;
- 5 tonnes d’acétone, soit environ 0,1% poids de l’acétone formée pendant un cycle de production (plus particulièrement pendant les phases 1 et 2 du cycle de production), sont purgés et considérés comme l’acétone sortant du procédé, c’est-à-dire comme acétone produite par le procédé.
La capacité maximale de recyclage de l’acétone (3750 t) étant atteinte, l’étape de régénération débute : l’alimentation des bioréacteurs est stoppée, la fermentation s’arrête alors. Ensuite, les bioréacteurs sont vidangés, nettoyés, stérilisés puis ré-inoculés. Les bioréacteurs sont alors prêts pour un nouveau cycle de production. Cette étape de régénération dure environ 150 h.
Le tableau 5 résume les quantités des solvants produits, c’est-à-dire sortant de l’unité de production, pendant 1 cycle de production complet selon le procédé de l’Exemple 2, les temps de cycle et le temps d’arrêt et les compare aux résultats obtenus par le procédé décrit dans l’Exemple 1, non conforme, pendant le même temps de production.
| Pendant 1 cycle du procédé de l’Exemple 2 : | Procédé de l’Exemple 1 | Procédé de l’Exemple 2 | Ecart entre les procédés (Exemple 2 par rapport à Exemple 1) |
| Nombre de cycles | 2,22 | 1 | |
| Temps Total | 3665 heures | 3665 heures | |
| Temps total d’arrêt | 300 heures | 150 heures | -50% |
| Solvants produits : | Quantités produites (t) | ||
| Acétone | 504,75 | 5,00 t sortant + 3750 t récupérés pour être recyclés |
-99,0% |
| Ethanol | 874,90 | 913,90 | +4,5% |
| Isopropanol | 6393,50 | 7200,75 | +12,6% |
| Butanol | 9051,85 | 9455,35 | +4,5% |
| TOTAL | 16825,00 | 17575,00 | +4,5% |
En un cycle de production, le procédé de l’Exemple 2, conforme à l’invention, permet de produire 12,6% poids en plus d’isopropanol par rapport au procédé de l’Exemple 1 (7200,75 t par rapport à 6393,5 t), sur la même période de production (3665 heures) et 4,5% poids en plus de solvants. Seulement 5 tonnes d’acétone sortent de l’unité de production du procédé décrit dans l’Exemple 2 à chaque cycle de production (3750 t d’acétone formés étant récupérés pour être recyclés lors du cycle suivant) alors que pour une même période de production plus de 500 tonnes (504,75 t) sont produits par le procédé non conforme décrit dans l’Exemple 1.
Le Tableau 6 compare les résultats (nombre de cycle, temps total de production, temps total d’arrêt et quantités produites en solvants) sur des temps plus long de production, en particulier sur 3 cycles complets de production du procédé de l’Exemple 2 et une phase 1 d’un 4ièmecycle du procédé de l’Exemple 2, soit (3 x (3515 + 150) + 150 = 12495 heures.
| Pendant 12495 h : | Procédé de l’Exemple 1 | Procédé de l’Exemple 2 | Ecart entre les procédés (Exemple 2 par rapport à Exemple 1) |
| Nombre de cycles | 7,57 | 3 cycles + 1 phase 1 | |
| Temps Total | 12495 heures | 12495 heures | |
| Temps total d’arrêt | 1050 heures | 450 heures | -57% |
| Solvants produits : | Quantités produites (t) | ||
| Acétone | 1716,75 | (3 x 5 t) 15 t sortant + 600 t récupérés pour être recyclés |
-99,1% |
| Ethanol | 2975,70 | 3131,70 | +5,2% |
| Isopropanol | 20824,13 | 27827,25 | +33,6% |
| Butanol | 30787,05 | 32401,05 | +5,2% |
| TOTAL | 56303,63 | 63975,00 | +12,6% |
Il apparait ainsi clairement que pour une période de fonctionnement de l’unité de production de 12495 h, équivalente à environ 1,5 ans, le procédé conforme à l’invention décrit dans l’Exemple 2 permet de produire un peu plus de 33% poids en plus d’isopropanol et d’obtenir environ 99%% poids en moins d’acétone, 600 t d’acétone formés étant récupérés pour être recyclés au cycle suivant. Un gain de production de solvants de 12,6% poids est également observé.
De plus, dans l’Exemple 2, pendant 12495 h, soit environ 1,5 ans, seuls 3 cycles de production complets sont effectués, ce qui correspond à 3 x 150 h = 450 h de temps de nettoyage, stérilisation / ré-inoculation des bioréacteurs, pendant lequel la fermentation est à l’arrêt. Ce temps d’arrêt est plus de 2,33 fois inférieur au temps d’arrêt dans l’Exemple 1, soit un écart de -57%,. Ce gain de temps de production participe également au gain de production de solvants.
Claims (15)
- Procédé de production d’alcools comprenant :
a. une étape de fermentation mettant en œuvre au moins une section réactionnelle qui comprend :
- un bioréacteur, alimenté par un flux d’alimentation et mettant en œuvre une fermentation en présence d’un microorganisme génétiquement modifié, choisi parmi les souches deClostridiumcapables de produire naturellement un mélange comprenant de l’acétone, du n-butanol et de l’éthanol et modifiées génétiquement pour les forcer à produire de l’isopropanol à la place de l’acétone, pour produire des gaz de fermentation et un moût de fermentation,
- une zone de séparation des gaz de fermentation du moût de fermentation,
- une zone d’analyse de la composition du moût de fermentation issu de la zone de séparation pour déterminer la teneur en acétone dudit moût de fermentation,
de sorte que le bioréacteur est alimentée selon deux phases :
- phase 1 : lorsque la teneur en acétone dudit moût de fermentation issu de la zone de séparation est inférieure à 1 g/L, ledit flux d’alimentation comprend une solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et un flux acétone, les débits de ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 et dudit flux acétone étant ajustés de sorte que la concentration en acétone dans ledit flux d’alimentation est inférieure ou égale à 10 g/L ;
- phase 2 : lorsque la teneur en acétone dudit moût de fermentation issu de la zone de séparation est supérieure ou égale à 1 g/L, ledit flux d’alimentation consiste en ladite solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 ;
b. une étape de traitement du moût de fermentation obtenu à l’issue l’étape a) pour séparer, au moins, un effluent acétone et un effluent aqueux d’alcools ;
c. une étape de recyclage mettant en œuvre au moins (i) une section de collecte pour collecter au moins une fraction dudit effluent acétone issu de l’étape b) pour obtenir au moins un effluent acétone collecté, et (ii) une section de recyclage pour transférer au moins une fraction de l’effluent acétone collecté vers l’étape a) pendant la phase 1 afin de composer au moins en partie ledit flux acétone du flux d’alimentation en phase 1. - Procédé selon la revendication 1, dans lequel la fraction de l’effluent acétone issu de l’étape b) qui est collectée dans la section de collecte de l’étape c) représente au moins 50% poids, de préférence au moins 90% poids, préférentiellement au moins 95% poids, de manière préférée au moins 99% poids, de l’effluent acétone issu de l’étape b).
- Procédé selon la revendication 2, dans lequel l’autre fraction de l’effluent acétone issu de l’étape b) constitue un effluent acétone non collecté qui est de préférence purgé.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’effluent acétone issu de l’étape b) est, en totalité, collecté dans la section de collecte de l’étape c) tant que la quantité massique de l’effluent acétone issu de b) est inférieure ou égale à la capacité maximale de recyclage de l’acétone, la capacité maximale de recyclage de l’acétone étant déterminée de la manière suivante :
Capacité recyclage = [Acétone] x dacétonex qsolution sucresx tphase1/ (dacétone- [Acétone])
Avec :
Capacité recyclage la capacité maximale de recyclage de l’acétone, exprimée en gramme ;
[Acétone] : la concentration en acétone du flux d’alimentation de la phase 1 du cycle de production, exprimée en g/L (gramme par litre) ;
dacétone: la densité de l’acétone à 20°C et pression atmosphérique et égale à 784 g/L ;
qsolution sucres: le débit de la solution de en C5 et/ou C6 du flux d’alimentation du bioréacteur pendant la phase 1, exprimé en L/h ;
tphase1: le temps que dure la phase 1 du cycle de production, exprimé en heure. - Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la section de recyclage à l’étape c) comprend une zone de stockage pour éventuellement stocker l’effluent acétone collecté et une zone de transfert, pour transférer au moins une fraction de l’effluent acétone collecté vers l’étape a) pendant la phase 1.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la concentration en acétone dudit flux d’alimentation à l’entrée dudit bioréacteur, pendant la phase 1, est inférieure ou égale à 5 g/L, préférentiellement inférieure ou égale à 2 g/L.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la fermentation mise en œuvre dans la (ou les) section(s) réactionnelle(s) de l’étape a) est réalisée à une température comprise entre 25 et 40°C, de préférence entre 30 et 37°C, de manière préférée à 34°C.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la fermentation mise en œuvre dans la (ou les) section(s) réactionnelle(s) de l’étape a) est mise en œuvre à un pH compris entre 4,0 et 7,0, de préférence entre 4,5 et 6,0.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans la (ou les) section(s) réactionnelle(s) de l’étape a) est(sont) opérée(s) à pression atmosphérique.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape a) comprend au moins deux sections réactionnelles, de préférence au moins cinq sections réactionnelles, et de préférence au plus trente sections réactionnelles, préférentiellement au plus vingt sections réactionnelles, de manière préférée au plus dix sections réactionnelles.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, fonctionnant en mode continu ou semi-continu, de préférence en mode continu, et de manière préférée l’étape a) fonctionne en mode continu confiné et les étapes b) et c) en mode continu.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, comprenant une étape d) de régénération, successivement aux étapes a), b) et c), comprenant l’arrêt de l’alimentation du bioréacteur en ledit flux d’alimentation, la vidange et le nettoyage du bioréacteur puis la ré-inoculation du bioréacteur en microorganisme génétiquement modifié frais, choisi parmi les souches deClostridiumcapables de produire naturellement un mélange comprenant de l’acétone, du n-butanol et de l’éthanol et modifiées génétiquement pour les forcer à produire de l’isopropanol à la place de l’acétone.
- Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’étape d) débute lorsque la quantité massique de l’effluent acétone obtenu à l’issue de l’étape b) est égale à une capacité maximum d’acétone produite, déterminée par :
Capacité max = Capacité recyclage + marge
Où :
Capacité max : la capacité maximum d’acétone produite, exprimée en gramme ;
Capacité recyclage : la capacité maximale de recyclage de l’acétone, exprimée en gramme ;
marge : une quantité d’acétone produite éventuellement par ledit microorganisme génétiquement modifié, au-delà de la capacité maximale de recyclage de l’acétone, exprimée en gramme. - Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la marge correspond au plus 50% massique, de préférence au plus 10% massique, préférentiellement au plus 5% massique, de manière préférée au plus 1% massique, de la capacité maximale de recyclage de l’acétone.
- Procédé selon l’une des revendications 12 à 14, comprenant au moins une étape e) de réitération d’au moins les étapes a), b) et c) successivement à l’étape d), de préférence des étapes a), b), c) et d) successivement à l’étape d).
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