FR3140633A1 - Procédé de conversion de biomasse lignocellulosique - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de conversion de biomasse lignocellulosique par mise en contact, en phase aqueuse, de biomasse lignocellulosique prétraitée avec au moins un biocatalyseur (3) dans un premier réacteur (1) contenant un milieu réactionnel comprenant ladite biomasse lignocellulosique prétraitée (2) en phase aqueuse et ledit biocatalyseur, ledit procédé comprenant :- (a) une première étape de liquéfaction par ajout de ladite biomasse lignocellulosique prétraitée et d’au moins un biocatalyseur dans ledit réacteur sans soutirage de tout ou partie dudit milieu réactionnel hors dudit réacteur,- puis (b) une deuxième étape de liquéfaction en continu, avec soutirage en continu hors dudit premier réacteur d’une partie dudit milieu réactionnel, ajout d’au moins un biocatalyseur, et ajout en continu de biomasse lignocellulosique prétraitée. Figure pour l’abrégé : Fig. 2
Description
L’invention concerne un procédé de conversion de biomasse lignocellulosique pour produire des sucres (ou jus sucrés) dits de seconde génération (2G).
Ces sucres peuvent être utilisés pour produire d’autres produits par voie biochimique ou/et catalytique (par exemple des alcools comme l‘éthanol, le butanol, ou d’autres molécules, par exemple du xylitol, des solvants tels que l’acétone etc…).
Ce procédé comporte généralement un pré-traitement de la biomasse, qui peut comporter par exemple une imprégnation avec une liqueur contenant un catalyseur chimique, comme un acide, une base ou un composé oxydant, puis une cuisson de la biomasse imprégnée, cuisson éventuellement couplée à une explosion à la vapeur. Une fois prétraitée, la biomasse est ensuite convertie en sucres par hydrolyse enzymatique sous l’action généralement d’un cocktail enzymatique comprenant au moins une enzyme cellulolytique. Les sucres ainsi formés peuvent être fermentés en alcool sous l’action de levures ou bactéries, soit dans une étape de fermentation séparée de l’étape d’hydrolyse enzymatique, soit simultanément à l’hydrolyse enzymatique. Dans ce dernier cas, on parle de SSCF, acronyme anglo-saxon pour « Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation » quand les sucres fermentés sont un mélange de sucres en C5 et en C6 obtenu par hydrolyse enzymatique (c’est-à-dire à 5 ou 6 carbones), ou de SSF pour « Simultaneous Saccharification and Fermentation » quand seuls des sucres en C6 sont fermentés.
L’invention s’intéresse plus particulièrement à l’hydrolyse enzymatique de biomasse prétraitée, éventuellement associée à une fermentation de type SSF ou SSCF. La biomasse prétraitée est le substrat de la réaction d’hydrolyse enzymatique. On définit le temps de séjour du substrat comme le temps moyen de résidence de celui-ci dans les conditions de réactions. Le temps de cycle est ici considéré comme le temps entre deux nettoyages.
La conduite de l’hydrolyse enzymatique peut être réalisée de différentes manières. Classiquement, l’hydrolyse enzymatique peut être conduite en batch, en fed-batch ou en continu.
La conduite de l’hydrolyse enzymatique peut être réalisée de différentes manières. Classiquement, l’hydrolyse enzymatique peut être conduite en batch, en fed-batch ou en continu.
Une conduite en batch peut être résumée comme suit : le substrat est ajouté dans le réacteur de conversion au début du cycle, puis laissé en contact avec les biocatalyseurs durant un temps de réaction nécessaire à l’atteinte de la conversion ciblée, avant de réaliser une vidange complète du milieu réactionnel. Dans cette configuration, le temps de séjour du substrat est homogène, puisque tout le substrat est ajouté et retiré au même moment. Le temps de cycle du réacteur est constitué de la durée de préparation du réacteur, de la durée réactionnelle (le temps de séjour du substrat) et de la durée de vidange et nettoyage.
Une conduite en continu peut être résumée comme suit : le substrat est ajouté et une fraction du milieu réactionnel soutirée au cours du temps. Ces ajouts et soutirages peuvent se faire en continu réel, ou en pseudo continu : c’est-à-dire que la durée entre les soutirages / ajouts est bien plus rapide que le temps de séjour moyen du substrat. Dans cette configuration, le temps de cycle du réacteur peut être fortement allongé. Le temps de séjour moyen du substrat peut être défini comme le rapport entre le volume du milieu réactionnel dans le réacteur et le débit moyen horaire de substrat ajouté. Cette configuration permet une meilleure utilisation du volume de réacteur disponible, néanmoins, elle présente le désavantage d’avoir une hétérogénéité du temps de séjour du substrat et des biocatalyseurs dans le réacteur : en effet, le soutirage réalisé est un soutirage du milieu réactionnel et donc une partie du substrat et/ou des biocatalyseurs ajoutés va être retirée lors du soutirage sans avoir réalisé le temps de séjour moyen. A l’inverse, une autre partie va rester plus longtemps que le temps de séjour moyen dans le réacteur. Dès lors, dans le cas de réactions impliquant des biocatalyseurs, c’est-à-dire des microorganismes comme des levures ou des bactéries, il existe un risque plus important de dérives des performances liées soit à l’apparition de contaminations, soit à une évolution du biocatalyseur (par exemple perte d’une modification génétique d’intérêt) du fait du temps de séjour allongé pour une partie de l’inventaire.
Une conduite en fed-batch (ou batch alimenté) est assez similaire à une conduite en batch : une partie du substrat est ajoutée progressivement dans le réacteur pendant que la ou les réactions voulues ont démarré dans le réacteur, puis l’ensemble de l’inventaire du réacteur est vidangé en fin de cycle. Ce type de conduite est classique sur des bioprocédés et permet de contourner les limitations typiques des bioconversions : la conduite en fed-batch est par exemple réalisée lorsque le milieu présente une teneur trop élevée en molécules toxiques, ou lorsque la rhéologie initiale du milieu est difficile.
Il est ainsi possible, comme décrit dans le brevet EP-3 461 902, d’opérer l’hydrolyse enzymatique en mode batch avec une alimentation séquentielle en biomasse prétraitée (dite alimentation « fed-batch » selon le terme anglo-saxon), où l’ajout séquentiel dans le réacteur d’hydrolyse est réalisé de façon de plus en plus espacée dans le temps, de manière à obtenir un taux de matière sèche final prédéterminé, sans soutirage au cours de l’hydrolyse.
Ce type d’alimentation est intéressant en ce qu’il permet d’obtenir un rendement de conversion en sucre amélioré et qu’il permet de travailler à haute teneur en matière sèche ce qui conduit à des concentrations élevées en produit d’intérêt dans le milieu, et également parce qu’il permet de mieux maîtriser les variations de viscosité du milieu réactionnel : au fur et à mesure de l’avancée de la réaction d’hydrolyse, le milieu réactionnel devient de moins en moins visqueux, et on peut ainsi ajouter de la biomasse prétraitée de manière à faire remonter le taux de matière sèche du milieu réactionnel. Cette solution présente cependant des limites, similaires aux limites de la conduite en batch, avec des temps de vidange et nettoyage qui sont régulièrement nécessaires. Ces temps sont incompressibles et diminuent le taux d’utilisation de la cuve, notamment lorsque la durée de réaction est inférieure à 24 heures, ce qui pénalise la productivité.
Ce type d’alimentation est intéressant en ce qu’il permet d’obtenir un rendement de conversion en sucre amélioré et qu’il permet de travailler à haute teneur en matière sèche ce qui conduit à des concentrations élevées en produit d’intérêt dans le milieu, et également parce qu’il permet de mieux maîtriser les variations de viscosité du milieu réactionnel : au fur et à mesure de l’avancée de la réaction d’hydrolyse, le milieu réactionnel devient de moins en moins visqueux, et on peut ainsi ajouter de la biomasse prétraitée de manière à faire remonter le taux de matière sèche du milieu réactionnel. Cette solution présente cependant des limites, similaires aux limites de la conduite en batch, avec des temps de vidange et nettoyage qui sont régulièrement nécessaires. Ces temps sont incompressibles et diminuent le taux d’utilisation de la cuve, notamment lorsque la durée de réaction est inférieure à 24 heures, ce qui pénalise la productivité.
Comme décrit, par exemple, dans le brevet WO 2013/088001, il est également connu de décomposer l’hydrolyse enzymatique en deux étapes, opérées chacune dans un réacteur spécifique :
- une étape dite de liquéfaction, qui correspond au début d'hydrolyse, durant laquelle le milieu réactionnel est visqueux et demande un système d'agitation complexe et une énergie d'agitation importante pour le réacteur. En revanche, le temps de séjour de la biomasse est généralement court, ce qui permet de limiter le volume des réacteurs à installer avec un tel système d’agitation.
- une étape dite de liquéfaction, qui correspond au début d'hydrolyse, durant laquelle le milieu réactionnel est visqueux et demande un système d'agitation complexe et une énergie d'agitation importante pour le réacteur. En revanche, le temps de séjour de la biomasse est généralement court, ce qui permet de limiter le volume des réacteurs à installer avec un tel système d’agitation.
- une étape suivante, qui correspond à la saccharification dans le cas où l'on prolonge l'hydrolyse seulement, ou à la SSF ou SSCF dans le cas où l'on introduit des microorganismes pour fermenter les sucres tout en hydrolysant ou en hydrolysant et en fermentant, dans un autre réacteur. Cette étape demande une agitation plus simple, moins d'énergie, mais un temps de séjour plus long et donc un volume de réacteur plus important.
Selon l’enseignement de ce brevet, on effectue un suivi d’une caractéristique rhéologique du milieu réactionnel pendant la première étape de liquéfaction, de manière à ajuster en conséquence les débits d’alimentation du réacteur en biomasse prétraitée/ en eau/ en enzymes/ en autres intrants (produits chimiques, acide ou base par exemple), et ainsi optimiser la liquéfaction.
Cette solution est intéressante, en ce qu’elle permet d’avoir une conduite efficace de la première étape de liquéfaction au moins, quelle que soit la nature de la biomasse, sans avoir à la caractériser. En revanche, elle nécessite, en production industrielle, un nombre conséquent de réacteurs suréquipés en moyens d’agitation et de relativement faible volume pour opérer la liquéfaction. L’opération en mode batch pénalise également la productivité par la fréquence des opérations de vidange, nettoyage et remplissage.
Selon l’enseignement de ce brevet, on effectue un suivi d’une caractéristique rhéologique du milieu réactionnel pendant la première étape de liquéfaction, de manière à ajuster en conséquence les débits d’alimentation du réacteur en biomasse prétraitée/ en eau/ en enzymes/ en autres intrants (produits chimiques, acide ou base par exemple), et ainsi optimiser la liquéfaction.
Cette solution est intéressante, en ce qu’elle permet d’avoir une conduite efficace de la première étape de liquéfaction au moins, quelle que soit la nature de la biomasse, sans avoir à la caractériser. En revanche, elle nécessite, en production industrielle, un nombre conséquent de réacteurs suréquipés en moyens d’agitation et de relativement faible volume pour opérer la liquéfaction. L’opération en mode batch pénalise également la productivité par la fréquence des opérations de vidange, nettoyage et remplissage.
L’invention a alors pour but de remédier aux inconvénients des solutions antérieures. Elle vise à améliorer les procédés d’hydrolyse enzymatique, notamment à diminuer et à simplifier les équipements nécessaires et/ou à diminuer la consommation énergétique desdits équipements, sans dégrader -ou en augmentant- les rendements de conversion de biomasse.
L’invention a tout d’abord pour objet un procédé de conversion de biomasse lignocellulosique par mise en contact, en phase aqueuse, de biomasse lignocellulosique prétraitée avec au moins un biocatalyseur dans un premier réacteur contenant un milieu réactionnel comprenant ladite biomasse en phase aqueuse et ledit biocatalyseur, ledit procédé comprenant :
- (a) une première étape de liquéfaction par ajout de ladite biomasse lignocellulosique prétraitée et d’au moins un biocatalyseur dans ledit réacteur sans soutirage de tout ou partie dudit milieu réactionnel hors dudit réacteur,
- puis (b) une deuxième étape de liquéfaction en continu, avec soutirage en continu hors dudit premier réacteur d’une partie dudit milieu réactionnel, ajout d’au moins un biocatalyseur, et ajout en continu de biomasse lignocellulosique prétraitée.
- (a) une première étape de liquéfaction par ajout de ladite biomasse lignocellulosique prétraitée et d’au moins un biocatalyseur dans ledit réacteur sans soutirage de tout ou partie dudit milieu réactionnel hors dudit réacteur,
- puis (b) une deuxième étape de liquéfaction en continu, avec soutirage en continu hors dudit premier réacteur d’une partie dudit milieu réactionnel, ajout d’au moins un biocatalyseur, et ajout en continu de biomasse lignocellulosique prétraitée.
(Cet ajout en continu permet de maintenir le volume réactionnel dans le réacteur à un niveau donné dans le réacteur).
La biomasse visée par l’invention est de nature lignocellulosique avec des substrats très variés comprenant des substrats ligneux comme différents bois (feuillus et résineux), des coproduits issus de l’agriculture (pailles de blé, rafles de maïs, etc…) ou d’autres industries agroalimentaires, papetières, déchets lignocellulosiques etc…
On comprend le terme « prétraitée » relatif à la biomasse dans son acception habituelle dans le domaine du traitement des biomasses lignocellulosiques. Il s’agit généralement d’une imprégnation par une liqueur acide, basique, oxydante ou par simplement de l’eau, puis une éventuelle cuisson, notamment associée à une explosion à la vapeur. Pour plus de détails sur cette opération préalable, on pourra se reporter, par exemple, aux brevets FR 3054141, FR 3075202 et FR 3075203.
Le milieu réactionnel est en phase aqueuse : L’eau peut provenir de la biomasse elle-même (qui contient de l’eau de façon native et/ou qui a été imprégnée de solution(s) aqueuse(s) préalablement an traitement de l’invention. L’eau peut aussi provenir d’un apport d’eau spécifique.
On comprend par « biocatalyseur », comme détaillé plus loin, une enzyme ou un mélange d’enzymes et/ou un type de microorganisme ou plusieurs types de microorganismes, notamment du type bactérie , levure. Le ou les biocatalyseurs peuvent être ajoutés comme la biomasse de façon continue ou de façon discontinue, ou en une seule fois.
On inclut, au sens de la présente invention, dans le terme soutirage « en continu » et alimentation « en continu », un soutirage et une alimentation continus au sens strict, ou un soutirage et une alimentation pseudo-continus. Sous le terme « pseudo-continu », on comprend le fait que le soutirage et/ou l’alimentation en substrat peuvent se faire de façon séquentielle. A titre d’illustration de ce mode de transfert : on peut soutirer x kg de milieu -pendant une durée de y minutes, puis on ajoute x kg de substrat et autres intrants nécessaires à la réaction (biocatalyseurs, produits chimiques, acide ou base par exemple) pendant une durée de z minutes, et ainsi de suite pendant la durée totale de l’étape, pendant 20 à 24 heures par exemple. La durée de soutirage et d’ajout peut être différente ou similaire. Les quantités de substrat et de tous les autres intrants ajoutées sont les mêmes que celles soutirées pour être à iso-volume dans le réacteur.
L’invention propose donc de procéder à la conversion de biomasse prétraitée en décomposant la conversion en deux stades, dont le premier, la liquéfaction, a été modifié par rapport aux modes opératoires déjà connus pour la liquéfaction, en ajoutant à une étape de liquéfaction, de préférence par ajout séquentiel, (mode « fed-batch » selon la terminologie anglo-saxonne) une étape suivante opérant en continu. Dans cette étape en continu, le soutirage du réacteur et l’alimentation en biomasse prétraitée sont continus, ou pseudo-continus. Le débit de soutirage et l’alimentation en biomasse prétraitée vont être adaptés pendant toute cette étape pour réguler, notamment, la rhéologie du milieu réactionnel dans le réacteur.
Le procédé selon l’invention prévoit donc une étape (a) de liquéfaction, où les composants du milieu réactionnel sont ajoutés au réacteur/mis en contact (biomasse, eau, biocatalyseur) pour un démarrage de la liquéfaction, sans soutirage. Puis la liquéfaction se poursuit avec l’étape (b) avec soutirage continu.
Et avec cette étape supplémentaire de liquéfaction en continu, l’invention apporte au procédé de conversion dans son ensemble (incluant une étape d’hydrolyse enzymatique à proprement dite après la liquéfaction) un énorme avantage industriel : elle permet de maximiser le taux d’utilisation des réacteurs dédiés à la liquéfaction.
L’invention permet ainsi, pour une production de biomasse convertie donnée, de limiter le nombre de réacteurs de liquéfaction à mobiliser (ou d’augmenter la production de biomasse convertie pour un nombre de réacteurs de liquéfaction donné à mobiliser) en limitant la fréquence des phases non productives d’alimentation, de vidange et de nettoyage.
Ce point est d’autant plus avantageux, en termes de gain sur les investissements industriels, que les réacteurs de liquéfaction doivent en général, comme déjà mentionné, être équipés de systèmes d’agitation complexes et dont le fonctionnement est gourmand en énergie.
Il s’est également avéré qu’avec ce mode de liquéfaction, on pouvait diminuer la fréquence de nettoyage des réacteurs de liquéfaction, sans impact négatif.
Et il a été également constaté qu’avec la liquéfaction selon l’invention, poursuivie par le stade de conversion à proprement dite dans un autre réacteur (hydrolyse enzymatique ou hydrolyse enzymatique et fermentation simultanées SSF ou SSCF), on obtenait les mêmes rendements de conversion en sucre ou alcool.
A noter également qu’avec la liquéfaction opérée selon l’invention, on ne rencontre pas de problème quant à la maîtrise de la viscosité du milieu réactionnel, et qu’on ne rencontre pas de difficultés ni à soutirer/vider le réacteur de liquéfaction ni à remplir le réacteur suivant permettant de poursuivre la réaction de conversion.
Avantageusement, on peut réguler le pH de la phase aqueuse par ajout contrôlé dans le premier réacteur d’au moins un composé acide et/ou basique dans au moins une des deux étapes (a) et (b) de liquéfaction. Ainsi, généralement si la biomasse a été prétraitée par une liqueur acide, on tendra à ajuster puis maintenir le pH à une valeur-consigne par ajout contrôlé de base, et si elle a été prétraitée par une liqueur basique, on tendra à ajuster le pH à la valeur-consigne par ajout contrôlé d’acide. La régulation du pH peut aussi être faite avant la liquéfaction.
Lors de la première étape (a) de liquéfaction, les ajouts de ladite biomasse lignocellulosique prétraitée dans le premier réacteur peuvent être opérés selon une fréquence fixe ou variable, et selon des quantités fixes ou variables.
La biomasse peut également être ajoutée dans le réacteur en une fois. Il en est de même du ou des biocatalyseurs, et de l’eau (quand on ajoute de l’eau en appoint, si la biomasse n’en contient pas suffisamment).
L’eau peut être ajoutée à part de la biomasse, ou la biomasse peut avoir déjà été mise en contact avec tout ou partie de l’eau avant ajout dans le réacteur.
Selon un mode de réalisation, l’ensemble des composants du milieu réactionnel, donc l’eau, la biomasse prétraitée et le ou les biocatalyseurs sont ajoutés en une fois, en même temps ou pas, et de préférence au tout début de l’étape (a).
La biomasse peut également être ajoutée dans le réacteur en une fois. Il en est de même du ou des biocatalyseurs, et de l’eau (quand on ajoute de l’eau en appoint, si la biomasse n’en contient pas suffisamment).
L’eau peut être ajoutée à part de la biomasse, ou la biomasse peut avoir déjà été mise en contact avec tout ou partie de l’eau avant ajout dans le réacteur.
Selon un mode de réalisation, l’ensemble des composants du milieu réactionnel, donc l’eau, la biomasse prétraitée et le ou les biocatalyseurs sont ajoutés en une fois, en même temps ou pas, et de préférence au tout début de l’étape (a).
Lors de la première étape (a) de liquéfaction, les ajouts de ladite biomasse lignocellulosique prétraitée dans le premier réacteur peuvent être opérés selon les intervalles de temps de plus en plus espacés, comme décrit par exemple dans le brevet EP 3 461 902 précité, et de préférence avec des quantités de biomasse fixes.
Lors de la première étape (a) de liquéfaction, le ou au moins un des biocatalyseurs peut aussi être ajouté de façon séquentielle au milieu réactionnel, soit avec la même fréquence, le même espacement que la biomasse prétraitée, soit avec une fréquence, un espacement différent.
Alternativement, le ou les biocatalyseurs peuvent être ajoutés en une fois, au courant, notamment au tout début, de l’étape (a) de liquéfaction.
Alternativement, le ou les biocatalyseurs peuvent être ajoutés en une fois, au courant, notamment au tout début, de l’étape (a) de liquéfaction.
Lors de la première étape (a) de liquéfaction, les ajouts de la biomasse lignocellulosique prétraitée dans le premier réacteur peuvent être réalisés en continu ou de façon séquentielle.
La deuxième étape (b) de liquéfaction est de préférence opérée à volume constant du milieu réactionnel contenu dans le premier réacteur. Comme on procède à un soutirage continu d’une partie du milieu réactionnel, on ajoute donc progressivement de la biomasse prétraitée et les intrants nécessaires pour que le volume du milieu réactionnel reste insensiblement inchangé et que de la biomasse prétraitée « fraîche » puisse être liquéfiée tout au long de cette étape (b). Ces ajouts sont continus selon une fréquence donnée, ou pilotés par un suivi d’une caractéristique physico-chimique, rhéologique, opératoire donnée du milieu réactionnel.
Lors de la deuxième étape (b) de liquéfaction, on va donc ajouter au cours du temps de la biomasse lignocellulosique prétraitée, et au moins un autre composé dit « intrant » dont au moins un choisi parmi un des composés suivants : eau, composé acide, composé basique, biocatalyseur(s), qui peut être ajouté avec la biomasse, ou en plusieurs fois mais pas en même temps que la biomasse, ou en une seule fois au début de l’étape. De préférence, le ou les biocatalyseurs sont ajoutés en même temps/avec la biomasse.
Ces intrants, ainsi que ceux présents au démarrage de la liquéfaction, peuvent comporter aussi d’autres composés, des additifs par exemple de type agent anti-mousse, agent antibactérien, ou encore des nutriments (dans le cas d’une SSF ou SSCF notamment, pour les micro-organismes utilisés pour la fermentation).
On peut ajuster la rhéologie du milieu réactionnel lors de la deuxième étape (b) de liquéfaction en fonction d’au moins une condition opératoire parmi : le temps de séjour de la biomasse lignocellulosique prétraitée dans le premier réacteur, la quantité et/ou la fréquence des ajouts de biomasse lignocellulosique prétraitée et d’intrant(s) dont au moins un choisi parmi un des composés suivants : eau, composé acide, composé basique, biocatalyseur(s).
On peut ajuster la rhéologie du milieu réactionnel lors de la deuxième étape (b) de liquéfaction pour qu’elle soit identique à ou moins sévère que la rhéologie du milieu réactionnel à la fin de la première étape (a) de liquéfaction. Plus la rhéologie d’un milieu réactionnel est « sévère », plus, notamment, il faudra équiper le réacteur de moyens d’agitation performants et/ou plus il faudra consommer de l’énergie pour les faire fonctionner.
On cherche ainsi à maintenir dans le réacteur de liquéfaction une rhéologie appropriée dans la liquéfaction en continue selon l’invention, pour que le milieu réactionnel reste à des conditions de viscosité permettant son agitation dans le réacteur et son soutirage vers un autre réacteur de façon compatible avec une production à l’échelle industrielle.
On peut suivre la rhéologie du milieu réactionnel en suivant la viscosité du milieu réactionnel ou le couple mécanique de l’arbre d’un système d’agitation équipant le premier réacteur ou la puissance électrique consommée par le moteur actionnant ledit système d’agitation.
La première étape (a) de liquéfaction a de préférence une durée comprise entre 1 et 48 heures, encore plus préférentiellement entre 2 et 24 heures, notamment entre 5 et 12 heures.
La deuxième étape (b) de liquéfaction a une durée de préférence comprise entre 1 et 170 heures, notamment entre 10 et 72 h, notamment entre 15 et 30 heures ou entre 20 et 28 heures.
Lors de la deuxième étape (b) de liquéfaction, le temps de séjour de la biomasse prétraitée dans le premier réacteur est de préférence supérieur ou égal à 4 heures, notamment supérieur ou égal à 5 heures, par exemple compris entre 5 heures et 14 heures.
Lors de la deuxième étape (b) de liquéfaction, on peut avantageusement soutirer en continu depuis le premier réacteur une partie du milieu réactionnel vers un deuxième réacteur où l’on poursuit dans une étape (c) de conversion, la conversion de la biomasse contenue dans le milieu réactionnel soutiré, en présence d’au moins un biocatalyseur.
Des biocatalyseurs sont déjà contenus dans le milieu réactionnel transféré d’un réacteur à l’autre, mais on peut ajouter spécifiquement dans le deuxième réacteur des biocatalyseurs différents ou identiques à ceux déjà introduits dans le premier réacteur.
Ainsi, quand on vise une conversion de la biomasse en alcool par SSF ou SSCF :
- selon un premier mode de réalisation, on peut ajouter l’ensemble des biocatalyseurs (enzymes et micro-organismes) dès la liquéfaction dans le premier réacteur (et ne pas ajouter de biocatalyseur à l’étape c) dans le deuxième réacteur donc),
- et selon un autre mode de réalisation, on peut ajouter les enzymes lors de la liquéfaction dans le premier réacteur, puis ajouter les micro-organismes, et éventuellement un complément d’enzymes, à l’étape c) dans le deuxième réacteur.
- selon un premier mode de réalisation, on peut ajouter l’ensemble des biocatalyseurs (enzymes et micro-organismes) dès la liquéfaction dans le premier réacteur (et ne pas ajouter de biocatalyseur à l’étape c) dans le deuxième réacteur donc),
- et selon un autre mode de réalisation, on peut ajouter les enzymes lors de la liquéfaction dans le premier réacteur, puis ajouter les micro-organismes, et éventuellement un complément d’enzymes, à l’étape c) dans le deuxième réacteur.
A la fin de la deuxième étape (b) de liquéfaction, on transfère avantageusement tout le milieu réactionnel du premier réacteur vers un deuxième réacteur où l’on poursuit, dans une étape (c) de conversion, la conversion de la biomasse contenue dans le milieu réactionnel transféré, en présence d’au moins un biocatalyseur.
Avantageusement, la durée de la deuxième étape (b) de liquéfaction est inférieure ou égale à la durée de l’étape (c) de conversion.
L’étape (c) dans le deuxième réacteur évoqué plus haut peut donc être opérée en mode fed-batch, de préférence avec une durée d’alimentation comprise entre 1 heure et 50 heures, et préférentiellement entre 10 heures et 40 heures, suivi d’une durée d’opération en batch. La durée totale de l’étape (c), en fed-batch puis en batch, est de préférence comprise entre 10 et 170 heures, notamment entre 70 et 140 heures. « Batch » est à comprendre dans son acception habituelle, à savoir qu’il n’y a pas de soutirage depuis le réacteur pendant toute la durée de la conversion opérée dans ce réacteur.
Le couplage des étapes (a) et (b) dans un réacteur dédié de liquéfaction et (c) dans un autre réacteur permet de bénéficier d’avantages combinés des mises en œuvre antérieures batch, fed-batch et continu :
- le réacteur de liquéfaction est opéré selon les étapes (a) puis (b) qui permettent de maximiser l’utilisation de ce réacteur pour contenir du milieu réactionnel, et de diminuer les temps alloués à la vidange et au nettoyage durant un cycle
- le réacteur opérant l’étape (c) se termine en batch, ce qui permet de maximiser les niveaux de conversion atteints, et de contrôler le temps de séjour maximal des biocatalyseurs, évitant ainsi les dérives mentionnées plus haut.
- le réacteur de liquéfaction est opéré selon les étapes (a) puis (b) qui permettent de maximiser l’utilisation de ce réacteur pour contenir du milieu réactionnel, et de diminuer les temps alloués à la vidange et au nettoyage durant un cycle
- le réacteur opérant l’étape (c) se termine en batch, ce qui permet de maximiser les niveaux de conversion atteints, et de contrôler le temps de séjour maximal des biocatalyseurs, évitant ainsi les dérives mentionnées plus haut.
Avantageusement, le deuxième réacteur dans lequel se déroule l’étape (c) a un volume supérieur à celui du premier réacteur où se déroulent les étapes (a) et (b). De préférence, le volume du deuxième réacteur est supérieur à 100% du volume du premier réacteur, de préférence supérieure à 120%, préférentiellement supérieur à 200% et encore plus préférentiellement supérieur à 300%. Le deuxième réacteur où se déroule l’étape (c) peut être alimenté par plusieurs réacteurs où se déroulent les étapes (a) et (b).
Il est également possible d’utiliser plusieurs réacteurs pour opérer l’étape (c), de plus petite taille et fonctionnant notamment en série.
Le biocatalyseur ajouté pour au moins une des étapes de première liquéfaction (a), de deuxième liquéfaction (b) et de conversion (c), et notamment toutes ces étapes, comprend avantageusement au moins une enzyme pour convertir la biomasse prétraitée au moins partiellement en sucre(s) par hydrolyse enzymatique, et éventuellement au moins un micro-organisme, de type levure(s) ou bactérie(s) pour convertir tout ou partie de ce(s) sucre(s) en alcool(s) par fermentation.
Selon une variante, le biocatalyseur utilisé pour chacune des étapes de première liquéfaction (a) et de deuxième liquéfaction (b) peut comprendre au moins une enzyme pour convertir la biomasse prétraitée au moins partiellement en sucre(s) par hydrolyse enzymatique, et le biocatalyseur ajouté dans l’étape (c) de conversion peut comprendre un mélange d’enzyme(s) et de levure(s) (ou autre microorganisme) ou seulement au moins une levure pour convertir tout ou partie de(s) sucre(s) transformés en alcool(s) par fermentation.
Selon une variante, le biocatalyseur utilisé pour fermenter tout ou partie de(s) sucre(s) en alcool(s) ou produits d’intérêt est une bactérie, par exempleClostridium,tel queClostridium Acetobutylicum. Il peut être ajouté dans le procédé de la même manière que les levures mentionnées plus haut.
En effet, la présente invention vise la conversion de la biomasse prétraitée pour produire des sucres par hydrolyse enzymatique, à partir généralement d’un cocktail d’enzymes comprenant au moins des enzymes cellulolytiques. Les enzymes cellulolytiques sont par exemple des cellulases, des endoglucanases, des beta-glucosidases. Le cocktail enzymatique peut comprendre également des enzymes hémicellulolytiques (hémicellulases). Les enzymes peuvent être produites par des bactéries ou des champignons. De préférence les enzymes sont produites à partir d’un champignon, par exempleTrichoderma reseii, La liquéfaction selon l’invention va donc utiliser ce genre de cocktail, ainsi que la réaction de conversion qui va se poursuivre dans un autre réacteur que le réacteur de liquéfaction. Les sucres en question peuvent être valorisés tels quels, ou après transformation.
La présente invention vise également la production d’alcools par fermentation à partir de ces sucres, selon deux grands types de procédé :
- soit la saccharification et la fermentation sont opérées en même temps, c’est le procédé dit SSF ou SSCF. Dans ce cas on ajoute aux enzymes des micro-organismes appropriés (levure, bactérie comme vu plus haut). Les micro-organismes peuvent ainsi être ajoutés dès la liquéfaction,
- soit la fermentation a lieu après la saccharification, dans un réacteur dédié à la fermentation et alimenté en micro-organismes appropriés. Dans ce cas, on ajoute un seul type de biocatalyseur à chaque étape (enzymes pour l’hydrolyse, puis micro-organisme pour la fermentation).
- soit la saccharification et la fermentation sont opérées en même temps, c’est le procédé dit SSF ou SSCF. Dans ce cas on ajoute aux enzymes des micro-organismes appropriés (levure, bactérie comme vu plus haut). Les micro-organismes peuvent ainsi être ajoutés dès la liquéfaction,
- soit la fermentation a lieu après la saccharification, dans un réacteur dédié à la fermentation et alimenté en micro-organismes appropriés. Dans ce cas, on ajoute un seul type de biocatalyseur à chaque étape (enzymes pour l’hydrolyse, puis micro-organisme pour la fermentation).
A noter que pour assurer la fermentation, le biocatalyseur est un micro-organisme, qui peut être une levure ou une bactérie, même si, dans le présent texte, on peut n’évoquer que des levures, par soucis de concision.
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention peut comprendre les étapes suivantes :
- une étape initiale (a0) de remplissage d’un premier réacteur avec un premier apport dans ledit réacteur de biomasse lignocellulosique prétraitée, de biocatalyseur(s), d’eau et éventuellement de composés acide et/ou basique,
- une première étape (a) de liquéfaction dans le premier réacteur par ajout de ladite biomasse lignocellulosique prétraitée dans ledit réacteur sans soutirage, avec éventuel ajout également de biocatalyseur(s),
- puis une deuxième étape (b) de liquéfaction en continu dans le premier réacteur, avec soutirage en continu depuis le premier réacteur d’une partie du milieu réactionnel et transfert vers un deuxième réacteur de ladite partie du milieu réactionnel soutiré et ajout en continu de biomasse lignocellulosique prétraitée, et éventuellement d’eau et/ou biocatalyseur(s), et/ou de composés acide et/ou basique,
- puis une étape (b1) optionnelle d’homogénéisation du milieu réactionnel dans le premier réacteur,
- puis une étape (b2) de transfert de tout le milieu réactionnel du premier réacteur vers le deuxième réacteur, où s’opère l’étape (c) de conversion de préférence en mode batch,
- et une étape (b3) de nettoyage du premier réacteur, notamment à l’aide d’une solution aqueuse, de préférence acide ou basique.
- une étape initiale (a0) de remplissage d’un premier réacteur avec un premier apport dans ledit réacteur de biomasse lignocellulosique prétraitée, de biocatalyseur(s), d’eau et éventuellement de composés acide et/ou basique,
- une première étape (a) de liquéfaction dans le premier réacteur par ajout de ladite biomasse lignocellulosique prétraitée dans ledit réacteur sans soutirage, avec éventuel ajout également de biocatalyseur(s),
- puis une deuxième étape (b) de liquéfaction en continu dans le premier réacteur, avec soutirage en continu depuis le premier réacteur d’une partie du milieu réactionnel et transfert vers un deuxième réacteur de ladite partie du milieu réactionnel soutiré et ajout en continu de biomasse lignocellulosique prétraitée, et éventuellement d’eau et/ou biocatalyseur(s), et/ou de composés acide et/ou basique,
- puis une étape (b1) optionnelle d’homogénéisation du milieu réactionnel dans le premier réacteur,
- puis une étape (b2) de transfert de tout le milieu réactionnel du premier réacteur vers le deuxième réacteur, où s’opère l’étape (c) de conversion de préférence en mode batch,
- et une étape (b3) de nettoyage du premier réacteur, notamment à l’aide d’une solution aqueuse, de préférence acide ou basique.
Les ajouts de ladite biomasse lignocellulosique prétraitée dans la première étape a) peuvent être séquentiels ou non.
Les ajouts des biocatalyseurs dans la première étape a) peuvent être séquentiels ou non.
Les conditions opératoires de la première liquéfaction (a) en configuration hydrolyse enzymatique seule (c’est-à-dire quand on vise une conversion de la biomasse en sucres oligomères ou monomères) sont de préférence :
- une température comprise entre 25 et 80°C, de préférence compris entre 40 et 60°C, et encore plus préférentiellement entre 45°C et 55°C,
- un pH compris entre 3 et 7, de préférence compris entre 4 et 6 et encore plus préférentiellement compris entre 4,8 et 5,5.
- une température comprise entre 25 et 80°C, de préférence compris entre 40 et 60°C, et encore plus préférentiellement entre 45°C et 55°C,
- un pH compris entre 3 et 7, de préférence compris entre 4 et 6 et encore plus préférentiellement compris entre 4,8 et 5,5.
Les conditions opératoires de la première liquéfaction (a) en configuration hydrolyse enzymatique et fermentation simultanée (SSF ou SSCF), c’est-à-dire quand on vise la conversion de la biomasse en alcool par hydrolyse et fermentation, sont :
- une température comprise entre 25 et 80°C, de préférence compris entre 30 et 50°C et encore plus préférentiellement entre 30°C et 35°C,
- un pH compris entre 3 et 7, de préférence compris entre 4 et 6 et encore plus préférentiellement compris entre 5,0 et 5,5.
- une température comprise entre 25 et 80°C, de préférence compris entre 30 et 50°C et encore plus préférentiellement entre 30°C et 35°C,
- un pH compris entre 3 et 7, de préférence compris entre 4 et 6 et encore plus préférentiellement compris entre 5,0 et 5,5.
Les conditions opératoires (température et pH) de la deuxième liquéfaction (b) sont de préférence identiques à celles de la première liquéfaction (a).
Les conditions opératoires (température et pH) de l’étape (c) de conversion peuvent être identiques ou différentes de celles de la première liquéfaction (a) et de la deuxième liquéfaction (b). Elles seront par exemple différentes si les biocatalyseurs introduits lors de cette étape sont différents de ceux introduits lors de la première liquéfaction (a) et de la deuxième liquéfaction (b).
De préférence, la teneur en matière sèche MS de la biomasse lignocellulosique prétraitée utilisée dans le procédé selon l’invention est au moins de 2% poids, notamment au moins de 5% poids, au moins 10% poids. La biomasse utilisée dans le procédé selon l’invention contient au moins 1 0g de cellulose pour 100 g de matière sèche, notamment au moins 20 g de cellulose pour 100 g de matière sèche.
La représente les différents stades d’une étape de liquéfaction de biomasse prétraitée selon l’art antérieur.
La représente les différents stades d’une étape de liquéfaction de biomasse prétraitée selon un mode de réalisation de l’invention.
La est un graphe qui représente l’évolution des concentrations en éthanol et xylose au cours d’un procédé SSCF avec une liquéfaction selon l’art antérieur et avec une liquéfaction selon l’invention en fonction du temps. En ordonnées, les concentrations sont en g/kg milieu réactionnel, et en abscisse le temps est exprimé en heures.
Les figures, et plus précisément les figures 1 et 2, sont très schématiques, ne respectent pas l’échelle. Les mêmes références se rapportent aux mêmes flux/dispositifs d’une figure à l’autre.
L’invention vise une amélioration du mode opératoire de la liquéfaction de biomasse lignocellulosique prétraitée. La liquéfaction est à comprendre comme une étape de démarrage de la conversion de la biomasse sous l’effet de biocatalyseurs. Il s’agit ici d’une conversion par hydrolyse enzymatique (et/puis fermentation optionnelle). On désigne parfois cette liquéfaction sous le terme de « pré-hydrolyse ».
Un protocole connu pour opérer l’hydrolyse enzymatique seule ou l’hydrolyse enzymatique et une fermentation simultanée de biomasse ou déchet lignocellulosique est une première étape de liquéfaction de type fed-batch (ajout séquentiel de biomasse et pas de soutirage pendant toute l’étape) dans un réacteur spécialement dimensionné/conçu pour cela, puis le transfert dans un réacteur plus standard pour poursuivre dans une seconde étape l’hydrolyse enzymatique seule ou l’hydrolyse enzymatique et la fermentation simultanées en mode batch.
On se rapportera par exemple au brevet WO 2013/088001 précité pour la description de ce type de protocole.
On se rapportera par exemple au brevet WO 2013/088001 précité pour la description de ce type de protocole.
Le protocole selon un mode préféré de réalisation de l’invention propose une liquéfaction avec une première étape de type fed-batch de biomasse lignocellulosique dans un réacteur ad hoc (volume utile relativement restreint avec équipement d’agitation performant), qui est suivie dans ce même réacteur par une étape en fonctionnement continu, avec :
- un transfert continu ou pseudo continu vers un réacteur plus standard (dont le volume utile peut être bien supérieur et dont les équipements d’agitation sont plus simples que le premier réacteur) pour poursuivre l’hydrolyse enzymatique seule, ou l’hydrolyse enzymatique et la fermentation simultanées en mode batch,
- et une alimentation continue ou pseudo continue en substrat lignocellulosique et divers intrants/biocatalyseurs dans le premier réacteur.
- un transfert continu ou pseudo continu vers un réacteur plus standard (dont le volume utile peut être bien supérieur et dont les équipements d’agitation sont plus simples que le premier réacteur) pour poursuivre l’hydrolyse enzymatique seule, ou l’hydrolyse enzymatique et la fermentation simultanées en mode batch,
- et une alimentation continue ou pseudo continue en substrat lignocellulosique et divers intrants/biocatalyseurs dans le premier réacteur.
Par ce nouveau protocole, il a été montré que le taux d’utilisation des réacteurs de liquéfaction est maximisé, permettant, pour une production donnée, de limiter le nombre de réacteurs de liquéfaction à mobiliser, à iso-productivité en hydrolyse enzymatique (ou en SSF ou SSCF).
L’invention porte sur la mise en œuvre de l’hydrolyse enzymatique pour la production de sucres ou de l’hydrolyse enzymatique et d’une fermentation simultanée pour la production d’alcool à partir d’une biomasse / déchet lignocellulosique.
La charge traitée par le procédé selon l’invention est une biomasse lignocellulosique prétraitée. Le prétraitement de la biomasse lignocellulosique permet de rendre accessible et réactive la cellulose aux enzymes, et consiste à mettre en contact la biomasse lignocellulosique avec un solvant et éventuellement un catalyseur (associés dans une liqueur généralement) à une température et une pression données pendant un temps de séjour donné. Tout type de prétraitement peut être appliqué pour obtenir le substrat lignocellulosique prétraité.
La biomasse prétraitée peut également subir un lavage à l’eau (remise en suspension de la biomasse prétraitée avec de l’eau ou un fluide de mélange, filtration solide/liquide, lavage de la fraction solide à l’eau puis filtration solide/liquide) après son prétraitement et avant le démarrage de la liquéfaction selon l’invention.
Durant l’étape d’hydrolyse enzymatique ou de SSF ou SSCF (qui inclut les étapes de liquéfaction selon l’invention exemplifiées plus loin, le substrat lignocellulosique prétraité est mélangé avec une solution liquide contenant les enzymes (et éventuellement les micro-organismes type levures ou bactéries). L’objectif est d’obtenir une concentration élevée en éthanol (ou sucres si on n’opère pas de fermentation). L’étape de fermentation / d’hydrolyse enzymatique est à réaliser à des concentrations relativement élevées en substrat lignocellulosique prétraité, c’est-à-dire à haute teneur en matière sèche, afin de réduire les coûts économiques et énergétiques du procédé si le produit d’intérêt doit être concentré.
Cette teneur en matière sèche (acronyme "MS") désigne le taux de matière sèche qui est mesuré selon la norme ASTM E1756 - 08(2015) « Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass”.(On peut exprimer la concentration en substrat lignocellulosique prétraité dans le milieu en pourcentage poids de matière sèche).
Le mélange intime du substrat lignocellulosique prétraité avec ladite solution liquide contenant les enzymes (et éventuellement les levures) s’avère difficile lorsque les teneurs en matière sèche sont élevées. En effet, le début de l’hydrolyse enzymatique à haute teneur en matière sèche pose notamment des problèmes de mélange et d’homogénéisation. Le milieu réactionnel est très pâteux et visqueux.
Pour traiter ce problème, les solutions existantes sont :
- équiper les réacteurs de fermentation (ou d’hydrolyse enzymatique) d’un agitateur spécifique complexe permettant de garantir une homogénéisation du milieu réactionnel.
- réaliser une alimentation progressive en substrat, alimentation dite fed-batch dans le réacteur, sans soutirer le milieu réactionnel. Au fur et à mesure de l’avancée de la réaction, le mélange devient de moins en moins visqueux et il est possible d’ajouter du substrat frais de manière à augmenter la quantité de substrat dans le milieu.
- conduire la fermentation (ou l’hydrolyse enzymatique) en deux étapes :
Une première étape appelée liquéfaction, permettant de réduire la viscosité du milieu. Cette étape correspond en fait aux premières heures de l’hydrolyse enzymatique (ou SSF/SSCF), la cellulose (insoluble dans le milieu) se convertit en sucres oligomères ou monomères solubles dans le milieu. Elle se termine lorsque la viscosité a été réduite à une valeur permettant le transfert vers une cuve munie d’un agitateur standard pour la suite de l’hydrolyse enzymatique.
Une deuxième étape correspondant à la poursuite de l’hydrolyse enzymatique (ou SSF/SSCF) : la biomasse liquéfiée issue de l’étape de liquéfaction est transférée dans des réacteurs de fermentation (ou d’hydrolyse) dans lesquels la conversion de la cellulose et des hémicelluloses résiduelles en sucres puis la conversion des sucres en éthanol se poursuit.
- équiper les réacteurs de fermentation (ou d’hydrolyse enzymatique) d’un agitateur spécifique complexe permettant de garantir une homogénéisation du milieu réactionnel.
- réaliser une alimentation progressive en substrat, alimentation dite fed-batch dans le réacteur, sans soutirer le milieu réactionnel. Au fur et à mesure de l’avancée de la réaction, le mélange devient de moins en moins visqueux et il est possible d’ajouter du substrat frais de manière à augmenter la quantité de substrat dans le milieu.
- conduire la fermentation (ou l’hydrolyse enzymatique) en deux étapes :
Une première étape appelée liquéfaction, permettant de réduire la viscosité du milieu. Cette étape correspond en fait aux premières heures de l’hydrolyse enzymatique (ou SSF/SSCF), la cellulose (insoluble dans le milieu) se convertit en sucres oligomères ou monomères solubles dans le milieu. Elle se termine lorsque la viscosité a été réduite à une valeur permettant le transfert vers une cuve munie d’un agitateur standard pour la suite de l’hydrolyse enzymatique.
Une deuxième étape correspondant à la poursuite de l’hydrolyse enzymatique (ou SSF/SSCF) : la biomasse liquéfiée issue de l’étape de liquéfaction est transférée dans des réacteurs de fermentation (ou d’hydrolyse) dans lesquels la conversion de la cellulose et des hémicelluloses résiduelles en sucres puis la conversion des sucres en éthanol se poursuit.
L’invention s’intéresse à cette dernière approche, et vise à l’améliorer.
L’étape de liquéfaction du substrat prétraitée est réalisée en « batch alimenté » ou encore « fed-batch », c’est-à-dire avec ajout du substrat progressivement dans le mélange eau + biocatalyseurs + base. (On prend en effet, ici l’exemple non limitatif d’un prétraitement avec imprégnation par une liqueur acide, d’où l’ajout d’une base pour augmenter le pH du milieu réactionnel).
En raison de la rhéologie du milieu, le réacteur de liquéfaction est d’abord chargé avec une partie du substrat à traiter et la totalité de l’eau, le pH et la température sont ajustés aux consignes requises, puis une partie ou la totalité des enzymes (et éventuellement des levures) est ajoutée. Un fed-batch (alimentation séquentielle) est ensuite réalisé avec le reste du substrat prétraité afin d’augmenter la teneur en matière sèche. Un fed-batch des enzymes (et des levures) peut également être réalisé. La rhéologie de la suspension solide nécessite une mise en œuvre particulière afin de garantir une bonne agitation pour réaliser la réaction dans un milieu le plus concentré possible en substrat lignocellulosique prétraité. Pour lever une partie de cette contrainte, une technologie particulière d’agitateur peut équiper le réacteur de liquéfaction.
Les agitateurs de type hélicoïdal sont généralement les plus adaptés, même s’ils sont complexes et limités en taille pour des raisons de conception mécanique.
Différents paramètres permettent de définir les conditions opératoires et d’établir la stratégie du fed-batch. Les gammes indiquées ci-dessous sont des exemples :
- le taux de matière sèche (MS) de la biomasse prétraitée (2 à 60% poids)
- le taux de cellulose du substrat
- la dose d'enzymes par rapport à la cellulose (5 à 100 mg/g de cellulose)
- le taux d’ensemencement en levures (0,1 à 3 g/kg milieu),
- la teneur en matière sèche (MS) du mélange initial (2 à 60 % poids)
- la teneur en matière sèche (MS) du mélange final (2 à 60 % poids)
- la masse et/ou le volume total du mélange final dans le réacteur
- le nombre d'ajouts fed-batch
- la durée des ajouts fed-batch (0 à 48 h)
- la durée de la liquéfaction (1 à 48 h)
- le taux de matière sèche (MS) de la biomasse prétraitée (2 à 60% poids)
- le taux de cellulose du substrat
- la dose d'enzymes par rapport à la cellulose (5 à 100 mg/g de cellulose)
- le taux d’ensemencement en levures (0,1 à 3 g/kg milieu),
- la teneur en matière sèche (MS) du mélange initial (2 à 60 % poids)
- la teneur en matière sèche (MS) du mélange final (2 à 60 % poids)
- la masse et/ou le volume total du mélange final dans le réacteur
- le nombre d'ajouts fed-batch
- la durée des ajouts fed-batch (0 à 48 h)
- la durée de la liquéfaction (1 à 48 h)
Le descriptif du protocole antérieur de liquéfaction en fed-batch est le suivant :
1-Préparation du mélange initial dans le réacteur de liquéfaction : on mélange une certaine quantité de biomasse prétraitée avec une certaine quantité d’eau pour atteindre la teneur en matière sèche (MS) souhaitée. L’agitation est mise en route pour homogénéiser le mélange et ajuster le pH et la température. On peut ajouter au milieu réactionnel un agent antibactérien, par exemple du type chloramphénicol ou celui commercialisé sous l’appellation commerciale VitaHop par la société BetaTec.
2- Régulation du pH avec l’ajout d’une solution basique, par exemple NH4OH ou KOH ou NaOH si le substrat prétraité a été produit dans des conditions acides (par exemple imprégnation avec acide sulfurique puis explosion à la vapeur) ou avec l’ajout d’une solution acide si le substrat prétraité a été produit dans des conditions basiques. La régulation de pH peut être maintenue durant les phases suivantes du protocole.
3- Injection des enzymes (et des levures) puis début de la liquéfaction fed-batch : une fois le mélange initial bien homogène, on introduit une certaine quantité d’enzymes (et de levures) dans le réacteur. Cette injection permet d’atteindre la dose de biocatalyseurs choisie. Après l’injection des biocatalyseurs, la liquéfaction fed-batch démarre.
4- Fed-batch - ajouts de biomasse prétraitée : après un certain temps défini au préalable, le milieu est déjà beaucoup moins visqueux et le premier ajout de biomasse prétraitée peut avoir lieu. Suivant la stratégie d’ajout des enzymes, des enzymes supplémentaires peuvent être ajoutées à ce moment-là. La masse d’enzymes introduite correspond à l’ajout de biomasse prétraitée. On peut choisir d’ajouter une quantité d’enzymes en fonction de la quantité de biomasse prétraitée ajoutée à chaque ajout de biomasse, ou encore ajouter tout ou la plus grande partie de la quantité d’enzymes nécessaire dès le début du fed-batch. Les ajouts se succèdent régulièrement jusqu’à atteindre un mélange avec la masse finale souhaitée. Généralement, la masse et la cadence de chaque ajout sont constantes et régulières. Comme vu plus haut, on peut aussi espacer de plus en plus les ajouts de biomasse. En général l’objectif est de viser une cible de dose d’enzyme exprimée en gramme par kilogramme de cellulose.
5- Fin de la liquéfaction : après la phase des ajouts de biomasse prétraitée, la réaction se poursuit à volume final constant. Il y a poursuite de la réaction et de la chute de viscosité jusqu’au moment où l’on juge que la viscosité est suffisamment faible pour pouvoir transférer le milieu dans le réacteur d’hydrolyse enzymatique (ou SSF ou SSCF) équipé d’un agitateur standard.
6- Après transfert du milieu réactionnel vers un réacteur d’hydrolyse enzymatique (ou SSF ou SSCF) correspondant à une cuve classique agitée, le réacteur de liquéfaction est nettoyé pour limiter les risques de contamination.
1-Préparation du mélange initial dans le réacteur de liquéfaction : on mélange une certaine quantité de biomasse prétraitée avec une certaine quantité d’eau pour atteindre la teneur en matière sèche (MS) souhaitée. L’agitation est mise en route pour homogénéiser le mélange et ajuster le pH et la température. On peut ajouter au milieu réactionnel un agent antibactérien, par exemple du type chloramphénicol ou celui commercialisé sous l’appellation commerciale VitaHop par la société BetaTec.
2- Régulation du pH avec l’ajout d’une solution basique, par exemple NH4OH ou KOH ou NaOH si le substrat prétraité a été produit dans des conditions acides (par exemple imprégnation avec acide sulfurique puis explosion à la vapeur) ou avec l’ajout d’une solution acide si le substrat prétraité a été produit dans des conditions basiques. La régulation de pH peut être maintenue durant les phases suivantes du protocole.
3- Injection des enzymes (et des levures) puis début de la liquéfaction fed-batch : une fois le mélange initial bien homogène, on introduit une certaine quantité d’enzymes (et de levures) dans le réacteur. Cette injection permet d’atteindre la dose de biocatalyseurs choisie. Après l’injection des biocatalyseurs, la liquéfaction fed-batch démarre.
4- Fed-batch - ajouts de biomasse prétraitée : après un certain temps défini au préalable, le milieu est déjà beaucoup moins visqueux et le premier ajout de biomasse prétraitée peut avoir lieu. Suivant la stratégie d’ajout des enzymes, des enzymes supplémentaires peuvent être ajoutées à ce moment-là. La masse d’enzymes introduite correspond à l’ajout de biomasse prétraitée. On peut choisir d’ajouter une quantité d’enzymes en fonction de la quantité de biomasse prétraitée ajoutée à chaque ajout de biomasse, ou encore ajouter tout ou la plus grande partie de la quantité d’enzymes nécessaire dès le début du fed-batch. Les ajouts se succèdent régulièrement jusqu’à atteindre un mélange avec la masse finale souhaitée. Généralement, la masse et la cadence de chaque ajout sont constantes et régulières. Comme vu plus haut, on peut aussi espacer de plus en plus les ajouts de biomasse. En général l’objectif est de viser une cible de dose d’enzyme exprimée en gramme par kilogramme de cellulose.
5- Fin de la liquéfaction : après la phase des ajouts de biomasse prétraitée, la réaction se poursuit à volume final constant. Il y a poursuite de la réaction et de la chute de viscosité jusqu’au moment où l’on juge que la viscosité est suffisamment faible pour pouvoir transférer le milieu dans le réacteur d’hydrolyse enzymatique (ou SSF ou SSCF) équipé d’un agitateur standard.
6- Après transfert du milieu réactionnel vers un réacteur d’hydrolyse enzymatique (ou SSF ou SSCF) correspondant à une cuve classique agitée, le réacteur de liquéfaction est nettoyé pour limiter les risques de contamination.
Les conditions opératoires de la liquéfaction en configuration hydrolyse enzymatique seule (c’est-à-dire quand on vise une conversion de la biomasse en sucres oligomères ou monomères) sont :
- une température comprise entre 25 et 80°C, de préférence compris entre 40 et 60°C, et encore plus préférentiellement entre 45°C et 55°C,
- un pH compris entre 3 et 7, de préférence compris entre 4et 6 et encore plus préférentiellement compris entre 4,8 et 5,5.
- une température comprise entre 25 et 80°C, de préférence compris entre 40 et 60°C, et encore plus préférentiellement entre 45°C et 55°C,
- un pH compris entre 3 et 7, de préférence compris entre 4et 6 et encore plus préférentiellement compris entre 4,8 et 5,5.
Les conditions opératoires de la liquéfaction en configuration hydrolyse enzymatique et fermentation simultanée (SSF ou SSCF), c’est-à-dire quand on vise la conversion de la biomasse en alcool par hydrolyse et fermentation, sont :
- une température comprise entre 25 et 80°C, de préférence compris entre 30 et 50°C et encore plus préférentiellement entre 30°C et 35°C,
- un pH compris entre 3 et 7, de préférence compris entre 4 et 6 et encore plus préférentiellement compris entre 5,0 et 5,5.
- une température comprise entre 25 et 80°C, de préférence compris entre 30 et 50°C et encore plus préférentiellement entre 30°C et 35°C,
- un pH compris entre 3 et 7, de préférence compris entre 4 et 6 et encore plus préférentiellement compris entre 5,0 et 5,5.
La durée de la liquéfaction est comprise entre 1 heure et 48 heures, notamment entre 2 heures et 24 heures, notamment entre 5 heures et 12 heures.
La représente les différentes durées/phases de cycle A à E de la liquéfaction, en représentant le réacteur de liquéfaction 1 à chacune de ces phases :
A : Remplissage du réacteur 1 de liquéfaction avec de la biomasse prétraitée 2, de l’eau 3’ et des biocatalyseur(s) 3, et un composé basique 4 et régulation de la température et du pH du milieu réactionnel dans le réacteur : durée entre 2 heures et 4 heures
B : Fed-batch de biomasse prétraitée, avec ajout séquentiel de biomasse prétraitée 2 et éventuellement de composé basique 4 pour réguler le pH : durée de 2 heures à 10 heures
C : Homogénéisation (optionnelle) : de 1 heure à 2 heures
D : Transfert du milieu réactionnel 5 depuis le réacteur 1 vers un réacteur aval (non représenté): durée entre 2 h et 4 h
E : Nettoyage du réacteur 1 de liquéfaction : entre 2 heures et 4 heures
A : Remplissage du réacteur 1 de liquéfaction avec de la biomasse prétraitée 2, de l’eau 3’ et des biocatalyseur(s) 3, et un composé basique 4 et régulation de la température et du pH du milieu réactionnel dans le réacteur : durée entre 2 heures et 4 heures
B : Fed-batch de biomasse prétraitée, avec ajout séquentiel de biomasse prétraitée 2 et éventuellement de composé basique 4 pour réguler le pH : durée de 2 heures à 10 heures
C : Homogénéisation (optionnelle) : de 1 heure à 2 heures
D : Transfert du milieu réactionnel 5 depuis le réacteur 1 vers un réacteur aval (non représenté): durée entre 2 h et 4 h
E : Nettoyage du réacteur 1 de liquéfaction : entre 2 heures et 4 heures
L’hydrolyse enzymatique (ou SSF ou SSCF) est opérée en batch. Les conditions opératoires de pH et température sont généralement identiques à la liquéfaction. La durée de l’hydrolyse enzymatique (ou SSF ou SSCF) est comprise entre 10 heures et 170 heures, de préférence entre 48 heures et 140 heures. Après vidange du réacteur d’hydrolyse enzymatique (ou SSF ou SSCF), le réacteur est nettoyé pour limiter les risques de contamination.
La limitation du volume des réacteurs de liquéfaction par rapport aux réacteurs de SSF ou SSCF ou d’hydrolyse enzymatique (le ratio de volume utile entre le réacteur de SSF OU SSCF ou d’hydrolyse enzymatique et le réacteur de liquéfaction est compris par exemple entre 2 et 10) nécessite généralement la mise en place d’un chronogramme pour assurer la continuité des différentes phases d’opération (incluant les phases de remplissage, vidange, nettoyage) entre les deux étapes liquéfaction et SSF ou SSCF (ou hydrolyse enzymatique). Ce chronogramme est établi également pour limiter le nombre de réacteurs de liquéfaction et SSF ou SSCF ou hydrolyse enzymatique en limitant les temps morts.
Le descriptif du protocole selon l’invention pour la liquéfaction en fed-batch avec une étape supplémentaire en continu est schématisé avec la , qui reprend les mêmes conventions que la :
Les durées des phases indiquées sont des exemples.
A – Phase initiale de remplissage du réacteur 1 de liquéfaction
Préparation du mélange initial dans le réacteur de liquéfaction : on mélange une certaine quantité de biomasse prétraitée 2 avec une certaine quantité d’eau 3’ pour atteindre la teneur en matière sèche (MS) souhaitée. L’agitation est mise en route pour homogénéiser le mélange et on vient ajuster le pH et la température. La régulation du pH se fait par ajout d’une solution basique 4, par exemple NH4OH ou KOH ou NaOH si le substrat prétraité a été produit dans des conditions acides (par exemple imprégnation avec acide sulfurique puis explosion à la vapeur) ou avec l’ajout d’une solution acide si le substrat prétraité a été produit dans des conditions basiques.
B – début de la liquéfaction fed-batch - ajouts de biomasse prétraitée 2 : une fois le mélange initial bien homogène, on introduit une certaine quantité d’enzymes 3 (et de levures) dans le réacteur 1. Cette injection permet d’atteindre la dose de biocatalyseurs choisie. Après l’injection des biocatalyseurs, la liquéfaction fed-batch démarre : - après un certain temps, le milieu est déjà beaucoup moins visqueux et le premier ajout de biomasse prétraitée peut avoir lieu. Suivant la stratégie d’ajout des enzymes 3, des enzymes supplémentaires peuvent être ajoutées à ce moment-là. La masse d’enzyme 3 introduite est proportionnelle à l’ajout de biomasse 2 prétraitée pour viser une quantité enzymes/cellulose ajoutée constante. Les ajouts se succèdent jusqu’à atteindre un mélange avec la masse finale souhaitée. Généralement, la masse et la fréquence de chaque ajout sont constantes et régulières.
F – Phase continue de la liquéfaction spécifique à l’invention : une partie 5’ du milieu réactionnel est soutirée et transférée vers un réacteur aval (non représenté) équipé d’un agitateur standard. Une partie des intrants est ajoutée dans le réacteur 1 de liquéfaction pour être à volume constant : biomasse prétraitée 2, biocatalyseur(s) 3, eau 3’ et solution acide ou basique 4 pour la régulation du pH. La phase continue de la liquéfaction est opérée pour que la rhéologie du milieu soutiré reste moins contraignante ou identique à celle du milieu en fin de fed-batch, de manière à ne pas impacter négativement l’opération du réacteur d’hydrolyse enzymatique (ou SSF ou SSCF).
Préparation du mélange initial dans le réacteur de liquéfaction : on mélange une certaine quantité de biomasse prétraitée 2 avec une certaine quantité d’eau 3’ pour atteindre la teneur en matière sèche (MS) souhaitée. L’agitation est mise en route pour homogénéiser le mélange et on vient ajuster le pH et la température. La régulation du pH se fait par ajout d’une solution basique 4, par exemple NH4OH ou KOH ou NaOH si le substrat prétraité a été produit dans des conditions acides (par exemple imprégnation avec acide sulfurique puis explosion à la vapeur) ou avec l’ajout d’une solution acide si le substrat prétraité a été produit dans des conditions basiques.
B – début de la liquéfaction fed-batch - ajouts de biomasse prétraitée 2 : une fois le mélange initial bien homogène, on introduit une certaine quantité d’enzymes 3 (et de levures) dans le réacteur 1. Cette injection permet d’atteindre la dose de biocatalyseurs choisie. Après l’injection des biocatalyseurs, la liquéfaction fed-batch démarre : - après un certain temps, le milieu est déjà beaucoup moins visqueux et le premier ajout de biomasse prétraitée peut avoir lieu. Suivant la stratégie d’ajout des enzymes 3, des enzymes supplémentaires peuvent être ajoutées à ce moment-là. La masse d’enzyme 3 introduite est proportionnelle à l’ajout de biomasse 2 prétraitée pour viser une quantité enzymes/cellulose ajoutée constante. Les ajouts se succèdent jusqu’à atteindre un mélange avec la masse finale souhaitée. Généralement, la masse et la fréquence de chaque ajout sont constantes et régulières.
F – Phase continue de la liquéfaction spécifique à l’invention : une partie 5’ du milieu réactionnel est soutirée et transférée vers un réacteur aval (non représenté) équipé d’un agitateur standard. Une partie des intrants est ajoutée dans le réacteur 1 de liquéfaction pour être à volume constant : biomasse prétraitée 2, biocatalyseur(s) 3, eau 3’ et solution acide ou basique 4 pour la régulation du pH. La phase continue de la liquéfaction est opérée pour que la rhéologie du milieu soutiré reste moins contraignante ou identique à celle du milieu en fin de fed-batch, de manière à ne pas impacter négativement l’opération du réacteur d’hydrolyse enzymatique (ou SSF ou SSCF).
Les conditions opératoires de la liquéfaction en configuration hydrolyse enzymatique seule (c’est-à-dire quand on vise une conversion de la biomasse en sucres oligomères ou monomères) sont de préférence :
- une température comprise entre 25 et 80°C, de préférence compris entre 40 et 60°C, et encore plus préférentiellement entre 45°C et 55°C,
- un pH compris entre 3 et 7, de préférence compris entre 4 et 6 et encore plus préférentiellement compris entre 4,8 et 5,5.
- une température comprise entre 25 et 80°C, de préférence compris entre 40 et 60°C, et encore plus préférentiellement entre 45°C et 55°C,
- un pH compris entre 3 et 7, de préférence compris entre 4 et 6 et encore plus préférentiellement compris entre 4,8 et 5,5.
Les conditions opératoires de la liquéfaction en configuration hydrolyse enzymatique et fermentation simultanée (SSF ou SSCF), c’est-à-dire quand on vise la conversion de la biomasse en alcool par hydrolyse et fermentation, sont de préférence :
- une température comprise entre 25 et 80°C, de préférence compris entre 30 et 50°C et encore plus préférentiellement entre 30°C et 35°C,
- un pH compris entre 3 et 7, de préférence compris entre 4 et 6 et encore plus préférentiellement compris entre 5,0 et 5,5.
- une température comprise entre 25 et 80°C, de préférence compris entre 30 et 50°C et encore plus préférentiellement entre 30°C et 35°C,
- un pH compris entre 3 et 7, de préférence compris entre 4 et 6 et encore plus préférentiellement compris entre 5,0 et 5,5.
Les conditions opératoires (matière sèche, dose de biocatalyseurs) sont maintenues aux conditions cibles, les paramètres qui permettent d’obtenir la rhéologie souhaitée sont donc la quantité et la fréquence des ajouts ainsi que le temps de séjour du marc dans le réacteur de liquéfaction au cours de la phase continue. Le temps de séjour de la biomasse prétraitée dans le réacteur de liquéfaction lors de la phase continue est supérieur ou égal à 4 h.
La durée de la phase continue est par exemple comprise entre 1 heure et 170 heures, notamment entre 10 heures et 72 heures.
C - Homogénéisation (optionnelle) : de 1 heure à 2 heures
D - Transfert du milieu réactionnel 5 depuis le réacteur 1 vers un réacteur aval (non représenté) ; Fin de la liquéfaction : après la phase continue, la totalité du milieu de liquéfaction est transféré dans le réacteur d’hydrolyse enzymatique (ou SSF ou SSCF) équipé de préférence d’un agitateur standard : durée entre 2 heures et 4 heures
E - Nettoyage du réacteur 1 de liquéfaction. Après transfert du milieu vers le réacteur aval, le réacteur de liquéfaction est nettoyé pour limiter les risques de contamination : durée entre 2 heures et 4 heures.
D - Transfert du milieu réactionnel 5 depuis le réacteur 1 vers un réacteur aval (non représenté) ; Fin de la liquéfaction : après la phase continue, la totalité du milieu de liquéfaction est transféré dans le réacteur d’hydrolyse enzymatique (ou SSF ou SSCF) équipé de préférence d’un agitateur standard : durée entre 2 heures et 4 heures
E - Nettoyage du réacteur 1 de liquéfaction. Après transfert du milieu vers le réacteur aval, le réacteur de liquéfaction est nettoyé pour limiter les risques de contamination : durée entre 2 heures et 4 heures.
L’hydrolyse enzymatique (ou SSF ou SSCF) est toujours opérée en batch. Les conditions opératoires de pH et température sont identiques à la liquéfaction ou différentes. C’est le cas par exemple pour une configuration où les biocatalyseurs introduits à l’étape de liquéfaction sont différents de ceux introduits à l’étape de SSF ou SSCF.
La durée de l’hydrolyse enzymatique (ou SSF ou SSCF) est comprise entre 10 heures et 170 heures, notamment entre 70 heures et 140 heures.
Selon une variante, seules les enzymes sont ajoutées dans le réacteur 1 de liquéfaction, pendant la phase A de remplissage initial et pendant la phase continue F, et les levures sont ajoutées dans le réacteur de SSF ou SSCF dès le début de la phase continue de la liquéfaction.
Naturellement, on peut aussi n’opérer qu’une hydrolyse enzymatique, sans levure, soit pour valoriser les sucres sans les transformer en alcool ou en les transformant différemment. On peut aussi opérer la fermentation des sucres séparément, dans un réacteur de fermentation dédié.
Par rapport à la liquéfaction selon le mode antérieur (exemple en ), la liquéfaction selon l’invention (exemple en ) apporte les avantages suivants :
- Augmentation de la productivité de la liquéfaction par un meilleur taux d’utilisation de chaque réacteur de liquéfaction. L’importance du gain dépend du temps d’opération de cette phase continue, mais aussi du débit qu’il est possible de traiter au cours de cette phase (selon le temps de séjour pour la biomasse prétraitée lors de la phase continue).
- Pour la même quantité de biomasse prétraitée à liquéfier, le nombre de réacteur de liquéfaction est donc réduit (ou bien pour le même nombre de réacteurs de liquéfaction, la quantité de biomasse liquéfiée est plus importante): le protocole de liquéfaction selon l’invention conduit donc à une réduction des investissements.
- La phase de nettoyage du réacteur de liquéfaction est réalisée après le transfert de plusieurs volumes de réacteurs, ce qui permet de diminuer la fréquence de nettoyage des réacteurs, donc de diminuer la consommation de produits chimiques, et d’augmenter la productivité par augmentation du temps de réaction.
- Les rendements de production d’éthanol et les rendements de conversion de la cellulose et hémicellulose en sucres sont maintenus les mêmes ou quasiment les mêmes.
Il utilise le protocole décrit plus haut à l’aide de la .
Pour illustrer le gain sur le taux d’utilisation des réacteurs de liquéfaction, on va comparer deux chronogrammes : l’un pour une liquéfaction en fed-batch connue ( ), l’autre pour une liquéfaction en fed-batch avec une phase continue ( ).
La liquéfaction (+SSCF) est opérée avec une teneur en MS de 20% poids, la dose d’enzymes est de 8 mg d’enzymes/gMS, la quantité de levures est de 0,5 g/kg milieu.
Le débit linéarisé de substrat prétraité alimentant l’étape de liquéfaction est de 15,6 tMS/h. La teneur en matière sèche du substrat prétraité est de 38% poids.
Le tableau 1 ci-dessous détaille le chronogramme de la liquéfaction connue :
| Opération | Durée |
| Remplissage Eau | 1 h |
| Remplissage initial biomasse prétraitée dans le réacteur de liquéfaction | 2 h |
| Ajout Biocatalyseurs | 1 h |
| Ajout de biomasse prétraitée en fed-batch dans le réacteur de liquéfaction | 9 h |
| Homogénéisation | 2 h |
| Transfert vers réacteur de SSCF | 2 h |
| Nettoyage | 3 h |
| Durée cycle total | 20 h |
4 réacteurs de liquéfaction de 435 m3(volume utile) sont donc nécessaires pour liquéfier la biomasse prétraitée avec un taux d’utilisation en opération de 45%. La biomasse liquéfiée est transférée dans 4 réacteurs de SSCF de 4 500 m3chacun, fonctionnant en batch.
Les durées des phases en SSCF sont indiquées dans le tableau 2 suivant :
| Opération | Durée |
| Remplissage Milieu liquéfaction | 37 h |
| Réaction | 113 h |
| Transfert vers réacteur de SSCF | 6 h |
| Nettoyage | 4 h |
| Durée cycle total | 160 h |
Il suit le protocole de liquéfaction selon l’invention décrit plus haut et illustré à la . Le tableau 3 ci-dessous détaille le chronogramme de la liquéfaction selon l’invention :
| Opération | Durée |
| Remplissage Eau | 1 h |
| Remplissage initial biomasse prétraitée dans le réacteur de liquéfaction | 2 h |
| Ajout Biocatalyseurs | 1 h |
| Ajout de biomasse prétraitée en fed-batch dans le réacteur de liquéfaction | 8 h |
| Homogénéisation | 1 h |
| Phase continue dans le réacteur de liquéfaction | 20 h |
| Homogénéisation | 2 h |
| Transfert vers réacteur de SSCF | 2 h |
| Nettoyage | 3 h |
| Durée cycle total | 40 h |
2 réacteurs de liquéfaction de 500 m3(volume utile) sont donc nécessaires pour liquéfier la biomasse prétraitée avec un taux d’utilisation en opération de 72,5%. Le temps de séjour de la biomasse prétraitée dans le réacteur de liquéfaction est de 8 h. La biomasse liquéfiée est transférée dans 4 réacteurs de SSCF de 4 500 m3chacun, fonctionnant en batch.
Les durées des phases en SSCF sont les mêmes que celles indiquées au tableau 2 pour l’exemple 1 comparatif.
Comme l’exemple 1 comparatif, il utilise le protocole connu de liquéfaction.
Le réacteur de liquéfaction est chargé avec une partie de la biomasse prétraitée, la totalité de l’eau, la solution basique NH4OH pour l’ajustement du pH à 5,3 puis la totalité des enzymes et des levures sont ajoutées, ce qui correspond au temps t0 de la liquéfaction. La température est maintenue à 33°C. La teneur en matière sèche dans ce mélange initial est de 14% poids. Le fed-batch de biomasse prétraitée est ensuite réalisé avec 12 ajouts de biomasse prétraitée pendant 6 heures : augmentation de 5% MS en 3 heures puis augmentation de 3% MS en 3 heures.
Le réacteur de liquéfaction est chargé avec une partie de la biomasse prétraitée, la totalité de l’eau, la solution basique NH4OH pour l’ajustement du pH à 5,3 puis la totalité des enzymes et des levures sont ajoutées, ce qui correspond au temps t0 de la liquéfaction. La température est maintenue à 33°C. La teneur en matière sèche dans ce mélange initial est de 14% poids. Le fed-batch de biomasse prétraitée est ensuite réalisé avec 12 ajouts de biomasse prétraitée pendant 6 heures : augmentation de 5% MS en 3 heures puis augmentation de 3% MS en 3 heures.
La teneur en matière sèche du milieu de liquéfaction est de 22% poids, la dose d’enzymes est de 8 mg d’enzymes/gMS, la quantité de levures est de 0,5 g/kg milieu.
La solution enzymatique a une concentration en protéines de 35 g/L et une masse volumique à 20°C de 1,02 g/cm3.
La teneur en matière sèche de la biomasse prétraitée est de 42% poids.
Le réacteur de liquéfaction est équipé d’un agitateur hélicoïdal permettant une bonne homogénéisation du milieu réactionnel et une gestion du couple et de la viscosité optimale.
Le milieu de liquéfaction est ensuite homogénéisé pendant 2 heures pour permettre la diminution du couple de l’agitateur, puis est transféré dans un réacteur de SSCF dans lequel la conversion de la cellulose et des hémicelluloses en sucres et la fermentation des sucres en éthanol se poursuivent. Le réacteur de SSCF est équipé d’un agitateur classique ; il s’agit par exemple d’un système d’agitation comportant 2 hélices à 3 pales type TT (mobile à écoulement axial) et une turbine de fond bipales droites (mobile à écoulement radial).
La durée de la liquéfaction (remplissage initial+ fed-batch de biomasse prétraitée + homogénéisation) est de 12 heures. La durée de la SSCF est de 132 heures (liquéfaction exclue).
Les paramètres opératoires suivis sont le couple de l’agitateur dans le réacteur de liquéfaction, les teneurs en éthanol, glucose et xylose dans le milieu (analyse par HPLC) au cours de la réaction de SSCF.
Les performances du procédé SSCF sont évaluées à partir des rendements suivants :
- Le rendement en éthanol/MS, égal au ratio entre la quantité d’éthanol produite et la quantité totale de matière sèche introduite dans le réacteur de liquéfaction 1
- À partir de l’hydrolyse enzymatique totale sur un échantillon de fin de fermentation : les rendements d’hydrolyse de la cellulose et du xylane et le rendement de production d’éthanol, calculé par rapport au rendement de Pasteur (soit 94,7 % du rendement de Gay-Lussac). Pour rappel, le rendement dit Gay Lussac est égal au rendement théorique à partir de l’équation stœchiométrique
C6H12O6(glucose) -> 2 C2H5OH (éthanol) + 2 CO2
Ce qui donne 51,1 kg d’éthanol produit à partir de 100 kg de glucose. Pasteur a ensuite démontré qu’il y avait des co-produits associés à la production d’éthanol et CO2(notamment glycérol, acide succinique, alcools lourds, développement micro-organisme). Le rendement de Pasteur prend en compte ces pertes en sucres, soit 48,4 kg d’éthanol produit à partir de 100 kg de glucose. Le rendement de Pasteur correspond donc à 94,7% du rendement théorique. Les résultats sont indiqués dans le tableau 4 ci-dessous :
- Le rendement en éthanol/MS, égal au ratio entre la quantité d’éthanol produite et la quantité totale de matière sèche introduite dans le réacteur de liquéfaction 1
- À partir de l’hydrolyse enzymatique totale sur un échantillon de fin de fermentation : les rendements d’hydrolyse de la cellulose et du xylane et le rendement de production d’éthanol, calculé par rapport au rendement de Pasteur (soit 94,7 % du rendement de Gay-Lussac). Pour rappel, le rendement dit Gay Lussac est égal au rendement théorique à partir de l’équation stœchiométrique
C6H12O6(glucose) -> 2 C2H5OH (éthanol) + 2 CO2
Ce qui donne 51,1 kg d’éthanol produit à partir de 100 kg de glucose. Pasteur a ensuite démontré qu’il y avait des co-produits associés à la production d’éthanol et CO2(notamment glycérol, acide succinique, alcools lourds, développement micro-organisme). Le rendement de Pasteur prend en compte ces pertes en sucres, soit 48,4 kg d’éthanol produit à partir de 100 kg de glucose. Le rendement de Pasteur correspond donc à 94,7% du rendement théorique. Les résultats sont indiqués dans le tableau 4 ci-dessous :
| Teneur en glucose à tfinal |
Teneur en éthanol à tfinal |
Rendement EtOH/MS |
Rendement d’hydrolyse de la cellulose | Rendement d’hydrolyse du xylane | EtOH/ EtOH potentiel |
|
| g/kg | g/kg | g/100g MS | % pds | % pds | % pds | |
| SSCF A | 1,15 | 56,0 | 25,4 | 81 | 90 | 79,7 |
Comme l’exemple 2, il suit le protocole de liquéfaction selon l’invention décrit plus haut et illustré à la .
La phase de remplissage du réacteur de liquéfaction jusqu’à la phase fed-batch du substrat est identique à celle de l’exemple 3. La phase continue est ensuite mise en œuvre : une partie du milieu est soutirée et transférée vers le réacteur de SSCF équipé d’un agitateur standard vertical. Une partie des intrants (voir tableau 5 ci-dessous) est ajoutée dans le réacteur de liquéfaction pour opérer à volume constant.
Le temps de séjour de la biomasse prétraitée dans le réacteur de liquéfaction lors de la phase continue est fixé à :
- 12 heures dans le cas où la biomasse a été prétraitée dans des conditions moins acides (1,8% poids H2SO4dans la liqueur d’imprégnation)
- 6 heures dans le cas où la biomasse a été prétraitée dans des conditions plus acides (2,4% poids H2SO4dans la liqueur d’imprégnation)
Ce temps de séjour permet de garder un couple de l’agitateur constant dans le réacteur de liquéfaction.
La durée de la phase continue est de 24 heures.
Les quantités de milieu à soutirer ainsi que les quantités d’intrants à ajouter dans le réacteur de liquéfaction dont le volume utile est de 3 000 kg sont indiquées dans le tableau 5 ci-dessous. Les nutriments sont destinés aux levures (source d’azote) et sont ici sous forme d’une solution de protéines de maïs solubles, notamment celle commercialisée sous l’appellation Solulys par la société Roquette.
- 12 heures dans le cas où la biomasse a été prétraitée dans des conditions moins acides (1,8% poids H2SO4dans la liqueur d’imprégnation)
- 6 heures dans le cas où la biomasse a été prétraitée dans des conditions plus acides (2,4% poids H2SO4dans la liqueur d’imprégnation)
Ce temps de séjour permet de garder un couple de l’agitateur constant dans le réacteur de liquéfaction.
La durée de la phase continue est de 24 heures.
Les quantités de milieu à soutirer ainsi que les quantités d’intrants à ajouter dans le réacteur de liquéfaction dont le volume utile est de 3 000 kg sont indiquées dans le tableau 5 ci-dessous. Les nutriments sont destinés aux levures (source d’azote) et sont ici sous forme d’une solution de protéines de maïs solubles, notamment celle commercialisée sous l’appellation Solulys par la société Roquette.
| Temps de séjour dans le réacteur de liquéfaction | h | 6 | 12 |
| Quantité de milieu à soutirer | kg | 250 | 125 |
| Quantité d'eau à ajouter | kg | 110 | 55 |
| Quantité de solution d'enzymes à ajouter | kg | 13,2 | 6,6 |
| Quantité de levures à ajouter | kg | 0,125 | 0,063 |
| Quantité de nutriments à ajouter | kg | 0,145 | 0,073 |
| Quantité de biomasse prétraitée brute à ajouter | kg | 125 | 63 |
| Quantité de solution de base (NH4OH à 24% poids) à ajouter | kg | 1,91 | 0,95 |
Les paramètres opératoires suivis sont le couple de l’agitateur dans le réacteur de liquéfaction, les teneurs en éthanol, glucose et xylose dans le milieu (analyse par HPLC, acronyme pour chromatographie liquide à haute performance) au cours de la réaction de SSCF.
Les performances des SSCF sont évaluées comme pour l’exemple 3 précédent, les résultats sont regroupés dans le tableau 6 ci-dessous.
Les performances des SSCF sont évaluées comme pour l’exemple 3 précédent, les résultats sont regroupés dans le tableau 6 ci-dessous.
| Teneur en glucose à tfinal |
Teneur en éthanol à tfinal |
Rendement EtOH/MS |
Rendement d’hydrolyse de la cellulose | Rendement d’hydrolyse du xylane | EtOH/ EtOH potentiel |
|
| g/kg | g/kg | g/100g MS | % pds | % pds | % pds | |
| SSCF B | 0,96 | 58,0 | 26,4 | 85 | 100 | 82,1 |
On vérifie ainsi que les rendements, notamment ceux en éthanol, sont identiques, que l’on opère avec la liquéfaction selon le protocole connu (exemple 3) ou selon le protocole de l’invention (exemple 4).
Le temps de séjour permet de garder un couple de l’agitateur constant dans le réacteur de liquéfaction.
Les cinétiques de production d’éthanol et de consommation du xylose ne montrent pas de différence de réactivité entre les SSCF conduites avec une liquéfaction fed-batch classique standard et les SSCF conduites avec une liquéfaction fed-batch puis continue selon l’invention.
Ces bons résultats en termes de performance ressortent également du graphe de la . En effet, les courbes C1 et C2 correspondent respectivement aux concentrations en éthanol selon l’exemple 3 comparatif et selon l’exemple 4 selon l’invention : on voit que les concentrations en éthanol se rejoignent à 140 heures de SSCF. De même, les courbes C3 et C4 correspondent respectivement aux concentrations en xylose selon l’exemple 3 comparatif et selon l’exemple 4 selon l’invention : là encore, les chutes de concentration en xylose, du fait de leur conversion en éthanol, atteignent au bout de 140 heures des concentrations très faibles et voisines. On voit que l’invention donne également de meilleurs résultats en termes de productivité dans les 48 premières heures.
Claims (15)
- Procédé de conversion de biomasse lignocellulosique par mise en contact, en phase aqueuse, de biomasse lignocellulosique prétraitée avec au moins un biocatalyseur (3) dans un premier réacteur (1) contenant un milieu réactionnel comprenant ladite biomasse lignocellulosique prétraitée (2) en phase aqueuse et ledit biocatalyseur, ledit procédé comprenant :
- (a) une première étape de liquéfaction par ajout de ladite biomasse lignocellulosique prétraitée et d’au moins un biocatalyseur dans ledit réacteur sans soutirage de tout ou partie dudit milieu réactionnel hors dudit réacteur,
- puis (b) une deuxième étape de liquéfaction en continu, avec soutirage en continu hors dudit premier réacteur d’une partie dudit milieu réactionnel, ajout d’au moins un biocatalyseur, et ajout en continu de biomasse lignocellulosique prétraitée. - Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, lors de la première étape (a) de liquéfaction, les ajouts de ladite biomasse lignocellulosique prétraitée (2) dans le premier réacteur (1) sont opérés selon une fréquence fixe ou variable, et selon des quantités fixes ou variables.
- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, lors de la première étape (a) de liquéfaction, les ajouts de ladite biomasse lignocellulosique prétraitée (2) dans le premier réacteur (1) sont opérés selon les intervalles de temps de plus en plus espacés, et de préférence avec des quantités de biomasse fixes.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième étape (b) de liquéfaction est opérée à volume constant du milieu réactionnel contenu dans le premier réacteur (1).
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de la deuxième étape (b) de liquéfaction, on ajoute au cours du temps de la biomasse lignocellulosique prétraitée (2) et au moins un autre composé dit « intrant » dont au moins un choisi parmi un des composés suivants : eau (3’), composé acide, composé basique (4), biocatalyseur(s) (3).
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on ajuste la rhéologie du milieu réactionnel lors de la deuxième étape (b) de liquéfaction en fonction d’au moins une condition opératoire parmi le temps de séjour de la biomasse lignocellulosique prétraitée(2) dans le premier réacteur (1), la quantité et/ou la fréquence des ajouts de biomasse lignocellulosique prétraitée et d’intrant(s) dont au moins un choisi parmi un des composés suivants : eau (3’), composé acide, composé basique (4), biocatalyseur(s) (3).
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on ajuste la rhéologie du milieu réactionnel lors de la deuxième étape (b) de liquéfaction pour qu’elle soit identique à ou moins sévère que la rhéologie du milieu réactionnel à la fin de la première étape (a) de liquéfaction.
- Procédé selon l’une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu’on suit la rhéologie du milieu réactionnel en suivant la viscosité du milieu réactionnel ou le couple mécanique de l’arbre d’un système d’agitation équipant le premier réacteur (1) ou la puissance électrique consommée par le moteur actionnant ledit système d’agitation.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première étape (a) de liquéfaction a une durée comprise entre 1 et 48 heures, notamment entre 2 et 24 heures, et encore plus préférentiellement entre 5 et 12 heures.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième étape (b) de liquéfaction a une durée comprise entre 1 et 170 heures, notamment entre 10 et 72 heures, notamment entre 15 et 30 heures ou entre 20 et 28 heures.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de la deuxième étape (b) de liquéfaction, on soutire en continu depuis le premier réacteur une partie (5’) du milieu réactionnel vers un deuxième réacteur où l’on poursuit, dans une étape de conversion (c), la conversion de la biomasse contenue dans le milieu réactionnel soutiré en présence d’au moins un biocatalyseur.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’à la fin de la deuxième étape (b) de liquéfaction, on transfère tout le milieu réactionnel (5) du premier réacteur (1) vers un deuxième réacteur où l’on poursuit dans une étape (c) de conversion, la conversion de la biomasse contenue dans le milieu réactionnel transféré, en présence d’au moins un biocatalyseur.
- Procédé selon l’une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que l’étape (c) dans le deuxième réacteur est opérée en fed-batch puis en batch, de préférence selon une durée comprise entre 10 et 170 heures, notamment entre 70 et 140 heures.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit procédé comprend :
- une étape initiale (a0) de remplissage du premier réacteur (1) avec un premier apport dans ledit réacteur de biomasse lignocellulosique prétraitée (2), de biocatalyseur(s) (3), d’eau (3’) et éventuellement de composés acide et/ou basique (4),
- une première étape (a) de liquéfaction dans le premier réacteur (1) par ajout de ladite biomasse lignocellulosique prétraitée (2) dans ledit réacteur sans soutirage, avec éventuel ajout également de biocatalyseur(s) (3),
- puis une deuxième étape (b) de liquéfaction en continu dans le premier réacteur (1), avec soutirage en continu depuis le premier réacteur d’une partie (5’) du milieu réactionnel et transfert vers un deuxième réacteur de ladite partie du milieu réactionnel soutiré et ajout au cours du temps de biomasse lignocellulosique prétraitée (2),
- puis une étape (b1) optionnelle d’homogénéisation du milieu réactionnel dans le premier réacteur (1),
- puis une étape (b2) de transfert de tout le milieu réactionnel (5) du premier réacteur (1) vers le deuxième réacteur, où s’opère l’étape (c) de conversion de préférence en mode batch,
- et une étape (b3) de nettoyage du premier réacteur, notamment à l’aide d’une solution aqueuse, de préférence acide ou basique. - Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la teneur en matière sèche MS de la biomasse lignocellulosique prétraitée utilisée est au moins 2% poids et contient au moins 10 g de cellulose pour 100 g de matière sèche.
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