WO1984003286A1 - Method for simultaneously depectinate and dehydrate raw sugar-beet pulp - Google Patents

Abstract

Raw sugar-beet pulp impregnated with acidified water is subjected to a succession of alternated compressions and decompressions. This mechanical stress causes a sort of retting of the pulp fibers, that is to say an effect such that they become separate from each other, their directional rearrangement and the dissolution of the pectin.

Description

 PROCEDE POUR SIMULTANEMENT DEPECTINISER ET DESHYDRATER

LA PULPE BRUTE DE BETTERAVE SUCRIERE

The present invention a pour objet l'extraction de la pectine de la pulpe de betteraves sucrières (dépectinisation) et sa deshydratation.

The manière habituelle, the depectinisation de la pulpe sucrière dont la matière sèche se compose, en poids, d'approximativement 20 - 30%, de cellulose, 15 - 20% de pectine, 20% d'hémicellulose, 6% de sucre, 6 - 10% de protéines et 4 - 12% de cendres, le restant étant indéterminé, s'effectue par extraction au moyen d'acide dilué aqueux à chaud. Comme acides, conviennent par exemple HCl, H ₂ SO ₄ , H ₂ SO ₃ , l'acide tartrique et d'autres acides minéraux et organiques. On trouve de nombreuses références à ce sujet, parmi lesquelles on citera deux ouvrages généraux: (1) "The pectins and their application" par B. HOTTENROTH, publisher R. OLDENBOURG, Manchen (1951); (2) "The Pectic Substances" par ZI KERTESZ, Interscience, New-York (1951), le brevet beige No. 444.871, ainsi que des articles plus récents dont les résumés figurent dans Chemical Abstracts, notarament CA.66, 116898; 70, 48853; 72, 56953; 73, 16575; 82, 60389; 90, 170475; 91, 120366; 92, 131067 et 92, 125. De par cet état de la technique, il ressort que les principaux problèmes relatifs à cette dépectinisation sont les suivants: (1) l'augroentation de la température et de la concentration en acide qui favorisent le taux et la vitesse de l'extraction ont, par contre, un effet néfaste sur la qualité de la pectine obtenue (dégradation), principalement en ce qui concerne son pouvoir ultérieur de former des gels. (2) La nécessité, pour effectuer une séparation satisfaisante des jus d'extraction d'avec la pulpe dépectinisée, de sécher préalablement la pulpe brute désucrée avant de la mettre en contact avec le liquide d'extraction. En effet, la pulpe brute qui provient des sucreries consiste en une nasse pâteuse hydratée à 85-95% (5 - 15% de matières sèches pour 100 g de pulpe brute) qu'on ne parvient pas à deshydrater de fagon satisfaisante par pressage, filtration or centrifugation à cause de sa consis dance visqueuse due au gel qui bouche les pores des filtres. En conséquence, pour tout traitement ultérieur, par exemple pour sa transformation en tourteau pour le bétail avec ou sans dépectinisation, il faut, au préalable, la sécher par évaporation (dans une étuve, dans un four, sous pression ordinaire, sous pression réduite, etc ..), ce qui, à l'heure actuelle, requires a dépense en énergie incompatible avec la valeur des produits obtenus. II existe, par ailleurs, encore d'autres documents pertinents dans ce domaine et, notamment, les documents suivants: le document ZUCKER INDUSTRIE 106, 975-978, 1981 décrit divers procédés de deshydratation de pulpes de betteraves par pressage. Certains de ces procédés font intervenir des techniques de pressage à plusieurs étapes successives, la pression étant relachée entre chaque étape. En particulier, à la fig. 5, on illustre un procédé ou le pressage comporte une "pluralité d'impulsions de pressage", la presse permettant de mettre ce procédé en oeuvre (voir fig. 6) comprenant des vis d'entraînement et de pressage de la pulpe divisées en plusieurs sections successives de pas alternativement très incliné et peu incliné. Ce document indique, par ailleurs, (voir page 978, Col. 1, 4ème paragraphe) qu'avec de telles pressions, la dépense d'énergie par kg d'eau extraite est de l'ordre de 80 à 100 kJ. Cependant, ce document n'envisage pas l'extraction de la pectine simultanément avec la deshydratation de la pulpe et, de plus, il ne semble pas que des taux de deshydratation supérieurs à environ 30% en matières sèches puissent être obtenus avec de telles presses .

The document FR-A-2,463,153 décrit un procédé et un dispositif pour dépectiniser des marcs de fruits et de légumes. Le dispositif

(voir dessin) comprend un réacteur cylindrique muni d'un agitateur axial hélicoϊdal agencé de maniére que la nasse aqueuse à dépectiniser soit aspirée par celui-ci de bas en haut au center du réacteur et refoulée vers le bas le long des parois de ce der . Cette agitation avec recirculation du mélange est maintenue en changeant, par périodes, la vitesse de l'agitateur de manière que la vitesse de déplacement de la masse à dépectiniser soit alternativement rapide et lente après quoi on évacue 65 à 75% de la phase liquide et on press la matière restante pour en extraire le liquide restant. Par ailleurs, on notera qu'il ne s'agit pas, dans cette référence, d'une dépectinisation cumulée avec une deshydratation mais d'une simple extraction à partir de matières sèches dans laquelle la filtration et l'enlèvement de l'eau (ajoutée après coup) n'offrent pas de difficultés particulières. Le brevet FR-A-1,018,909 concerne la dépectinisation de matières végétales. Selon ce document, on évapore d'abord la matière avec de l'eau acidifiée, par exemple en l'agitant et la chauffant vers 65 - 85 ° C. II s'agit donc Là d'un procédé conforme à l'état général de la technique susmentionnée. The document DE-C-740.075 décrit un procédé de dépectinisation de matières végétales suivant lequel on soumet de tellhs matières, en présence de grandes quantités d'eau acidifiée, à une pression d'air d'au moins 2 atmères, puis qu'on chauffe le tout vers 95 ° ce qui conduit à une augmentation correspondante de la pression et provoque l'hydrolyse de la matière ainsi traitée.

L'état de la technique susmentionné ne fournit donc pas un traitement applicable à la pulpe sucrière brute dont l'effet soit, d'une part, de libérer la pectine de manière qu'elle soit extraite efficacement par l'eau imprégnant cette pulpe brute et, d'autre part, de permettre la separation de ce jus d'extraction par les moyens simples habituels de filtration et / ou de centrifugation. On a donc recherché un tel traitement et on a découvert avec étonnement qu'on parvient au but fixé en soumettant répétitivement la pulpe de betterave désucrée brute, par portion, à une succession de compressions et de décompressions alternées. Ainsi, le procédé suivant la présente invention se définit comme suit:

On acidifie la pulpe brute humide, on la chauffe, on la soumet dans cet état, par portions, à une alternance de compressions et de décompressions successives (pulsations) de manière à réaliser une séparation effective de la pectine de la pulpe d'avec les fibers cellulosiques de celle-ci et une dissolution de cette pectine dans l'eau acidifiée que contient cette pulpe, puis on essore la masse, la teneur en eau de la matière solid ainsi obtenue ne dépassant pas 50% en poids. L'effet de telles compressions peut se traduire par un écrasement et une déformation non élastique de la nasse de pulpe (rouissage) et, consécutivement, par un réarrangement directionnel des fibers de celle-ci, par exemple dans le sens de son déplacement ou per pendiculairement à celui-ci.

Pour acidifier la pulpe, on utilize de préférence un acide fort tel que HCl, H ₂ SO ₄ , H ₃ PO ₄ ou autre acide connu pour se prêter à l'operation de depectinisation. De préférence, le pH de la pulpe acidifiée se situe entre 0.2 et 3. Des pH inferieurs et superieurs à la gamme indiquée ne sont pas impossibles à priori. Cependant, en presence d'une acidite trop faible, la vitesse d'extraction devient tres lente et, en présence de trcp d'acidite, le taux de degradation de la pectine et d'hydrolysis des pentosanes (hemicellulose) augmente fortement. On peut, selon le degre d'humidité de la pulpe à traiter, ajouter une quantité sfupplémentaire d'eau afin de modifier ses propriétés rhéologiques, par exemple augmenter sa fluidité. Cette quantité d'eau peut être parts que la proportion de matiére séche par rapport au total de l'eau présente dans la masse soumise au traitement soit, en poids, de 5 à 25%. Dans un tel cas, il est evidemment favorable d'ajouter ensemble l'eau et l'acide desires sous forme d'une solution d'acide dilue. The quantites d'eau et d'acide à rajouter seront déterminées en fonction des critéres de dilution et de pH susmentionnés.

The température à laquelle on chauffe la pulpe en traitement est, de préférence, de 30 à 60 ° C. A des températures inférieures à cette gamme, la réaction devient trop lente et, au dessus de celle-ci, la pectine se dégrade notablement et sa qualité baisse exagérément. Cependant, dans certains cas spéciaux où ces critéres ne sont pas déterminants, on peut travailler à des températures en dehors des limites précitées. On notera, de plus, que le procédé de l'invention présente l'avantage de favoriser la desacétylation de la pectine sucriére et, partant, d'améliorer la qualité de celle-ci (voir à ce sujet le brevet beige No. 482.585) . On peut, d'ailleurs, soumettre la pectine obtenue à une ultrafiltration sur membranes a perméabilite contrôlée afin d'en éliminer, si désiré, certaines substances à poids molecularulaire compris dans une gamme donnée. On peut également déprotéiniser la pectine obtenue suivant l'invention.

Pour effectuer, sur des portions de pulpe, les alternances successives de coirpressions et de decompressions, on peut procéder de bien des façons et utiliser des dispositifs variés permettant de réaliser cet effet. A titre d'exemple, on cite d'abord le cas ou la mas se acidifiée et convenablement fluidisée pour assurer son libre écoulement dans une conduite est placée dans un réacteur muni d'un agitateur et, par le biais d'une tuyauterie flexible connectée entre l'entrée et la sortie du réacteur, est mise en circulation continue, son déplacement etant assuré par une pompe péristaltique agissant sur la tuyauterie flexible constituée de caoutchouc ou de toute autre matiére elastique resistant aux acides. Les alternances de compressions et de décompressions sont fournies par la came de la pompe qui, successivement, comprime et decomprime des portions du fluide en circulation. The déformation mécanique résultant de cette compression combinée avec le mouvement de déplacement de la matiére lors de sa mise en circulation provoque une désagglomération des fibers and une orientation de celles-ci dans une direction préférentielle. L'effet recherché est donc atteint par ce moyen. De matiére générale, quelques heures de cette mise en circulation pulsée, par exemple de 5 à 20 h à 40-50 ° C sont suffisantes pour obtenir l'effet désiré, c'est-à-dire une masse homogeneity, dont les fibers ont été régularisées et qui peut être essorée ensuite par filtration ou centrifugation dans des conditions satisfaisantes. On peut ainsi obtenir, d'une part, un solid insoluble dans l'eau dont le taux d'humidité est nettement inférieur à celui de la matiére de départ et contenant surtout de la cellulose et, d'autre part, un liquide filtré contenant la pectine, une proportion de pentoses provenant de l'hydrolysis simultanée d'une partie de l'hémicellulose de la pulpe et d'autre matiéres dissoutes, sels solubles, protéines, etc .. De cette solution, on peut extraire la pectine par les moyens habituels cités dans la technique évoquée plus haut, par exemple par pié- cipitation à l'alcool ou un autre solvant hydrocompatible. Quant à la fiber insoluble, eile peut, soit subir des traitements ultérieurs de purification de la cellulose qu'elle contient principalement, soit etre utilisée comme aliment pour ruminants, soit être utilisée directement comme pâte à carton d'aspect grossier, soit encore être hydrolysée par voie chimique ou enzymatique pour conduire à un sirop de glucose. Pour effegtuer le traitement suivant la présente invention, il faut éviter les efforts de déchirement ou de rupture qui conduisent à la fragmentation des fibres, à une mise en condition de la matié re défavorable à un essorage efficace et à une cellulose à fibers courtes sans intérêt. Aussi, on évite d'utiliser des broyeurs à Lames coupantes genre "Turmix". Par contre, conviennent aussi à la réalisation de l'effet mécanique recherché, les machines destinées à la pate à papier mecanique et, plus particulierement les "raffineurs" de pête mécanique. One part machine est décrite dans l'ouvrage suivant: "Encyclopedia of Chemical Technology", Kirk & Othmer, 3 ^e ed. L'élément essentiel d'une telle machine est un disque rotatif comportant des zones concentriques successives de rainures radiales dont le caliber va décroissant, ce disque rainuré étant disposé coaxialement avec un disque lisse fixe et presque en contact avec celui-ci. La matiére à traiter est injectée axialement entre les disques de matiére qu'elle se deplace vers leur périphérie et, ce faisant, eile subit d'abord un effet de fractionnement par les rainures, puis de "défibrillation" provoqué par compressions dans une zone rainurée et décompressions lors de son passage saccadé de cette zone rainurée à la suivante. La pulpe ainsi "defibrillée" et homogéneisée peut être essofée de façon satisfaisante et fournit un solide et une solution de pectine sensiblement similaires aux produits correspondants obtenus suivant le premier mode opératoire décrit plus haut.

Les exemples qui suivent illustrent l'invention.

Exemple 1

On a utilisé un réacteur en pyrex de 2 1 muni d'un agitateur, d'un réfrigérant à reflux et d'un thermométre. The base du réacteur comportait une tubulure de sortie qu'on a reliée par un tuyau de caoutchouc d'environ 20 mm de diamétre à une pompe péristaltique fournissant 5-6 impulsions par minute. The sortie de la pompe a ete reliée à une tubulure d'entrée du réacteur de matiére à assurer une circulation continue du contenu de celui-ci.

On a introduct dans le réacteur 1120 g de pulpe de betterave sucriére brüte provenant de la sucrerie de Fraunhofer (CH). Cette pulpe humide titrait 7.6% en poids (85 g) de matiére séche. L'analysis de cette matiére séche a fourni les indications suivantes en poids: cellulose 32.43%, hémicellulose 21.12, protéines 8.2%, cendres 3.69, pectine 19-23% (evaluation), residues non identifié. On a ensuite ajouté 380 g d'eau et environ 15 g de HCl concentré, le tout de maniére à réaliser une pête fluide à pH 0.7. On a chauffé le réacteur à 40 ° C (bain thermostatise) et on a fait circuler le mélange en continu par la pompe péristaltique à la cadence de environ 200 ml / min. Simultaneous, on a soumis la partie du mélange se trouvant dans le réacteur à une agitation au moyen de l'agitateur rotatif.

On a poursuivi le traitement environ 10 h pendant lequel on a pu observer que l'effet des pulsations de la pompe se traduisait par la Séparation intermittente et successive de portions alternativement plus riches en solides et plus riches en liquide, une réhomogénéisation du tout se produisant au return dans le réacteur.

On a ensuite centrifugé le mélange dans une centrifugeuse à tamis et on a obtenu une matiére qu'on a encore pressée sur un büchner sous aspiration (14 Torr) afin d'en retirer tout le liquide possible. Cette Operation s'est faite sans difficulté, sans boucher les pores du filtre et en laissant un gâteau fibreux de matiére solide constitue de 70% de cellulose (aprés séchage). The taux d'humidité de ce gâteau était de 45% en poids (poids à sec 36.76 g). Par adjonction d'alcool au filtrat, on a précipite environ 20 g de pectine brüte dont la capacite de former un gel (voir la référence (2) susmentionnée pages 484 et suivantes) était satisfaisante.

L'analyse de la matiére seche ainsi obtenue a fourni les chiffres suivants (entre parentheses, les resultats d'un second essai identique) cellulose 68.5% (72.0); hemicellulose 6.2% (7); cendres 7.29% (-); protein 8.6% (-); total of the product identifies 90.59% (94.89). On a utilize cette matiére dans une nachine à papier et on a obtenu des feuilles homogénes, solides, de texture tres grossiére et de couleur grisâtre.

Exemple 2 (comparatif)

Dans un réacteur de laboratoire ordinaire, on a mis en agitation 22 h at 40 ° C un mélange de 675 g de pulpe brüte (identique à celle de l'exemple précédent) avec 375 g d'eau et acidifié at pH 0.7 par du HCl concentré. Puis on a centrifuge et obtenu 378.5 g d'un soli de pâteux et visqueux. On a soumis ce solide à un pressage de 10 T dans un filtre presse, ce qui a permis d'en extraire encore 50 ml de liquide mais avec bouchage des pores du filtre et extrudage à travers les pores de 242.5 g de pate visqueuse . Cette pate, une fois séchée, a fourni 29 g de matiéres séches. The traitement ci-dessus n'a donc permis la formation que d'un prodult humide à environ 12% de matiéres séches et, ceci, avec un rendement global médiocre, les pertes mecaniques etant notables. Par ailleurs, la pectine precipitée de la phase aqueuse était également de qualité médiocre.

On voit, par ces results comparatifs, l'utilite du procédé suivant l'invention.

Example 3

A 485.5 g de pulpe sucriére contenant 20.6% en poids de matiéres séches, on a ajoute 880 g d'eau et 18 g de HCI aqueux à 32% de matiére à obtenir une solution acide de titre approximativement 0.12 - 0.15 N. On a placé ce mélange assez fluide dans un reacteur similaire à celui décrit à l'exemple 1, celui-ci etant equipe d'un systeme de circulation avec pompe pulsante permettant de soumettre la Suspension de fibres à une alternance de pression et de depression à la frequence d'environ 10 - 15 cycles par minute. The variation of the pression Δ P entre the maximum de pressioi and the minimum de pression de chaque cycle pouvait varier entre 3 et 20 atmospheres. On a procede comme décrit à l'exemple 1 et opere vers 30 - 40ºC pendant environ 8 h avec unΔP d'environ 4 à 6 atmospheres. On a alors filtre et essore le melange sur un Büchner co qui a fourni 900 g de liquide et un "gateau" de fibers contenant environ 40 - 45 g de matiéres seches. Par pressage de ce gateau suivant les moyens habituels, on a pu en extraire encore environ 280 à 290 g de liquide.

Aux 900 g de liquide brut resultant de la filtration initiale, on a ajoute 1,8 1 d'alcool ordinaire à 94% ce qui a occasionné la formation d'un precipite qu'on a filtre sur Büchner, lave à l'ethanol, Seche à l'air 24 h puis une nuit sur P ₂ O ₅ au àessicateur. Yield 13.62 g of pectine broth contenant, en poids (mesure par analyze suivant les moyens habituels) 33.4% d'acide polygalacturanique; ester methylique 27%; acétyle 0.43%. Par ailleurs, le taux d'este rification des groupes carboxyliques du polyacide était de 42.8%. On a teste le pouvoir gelifiant de cette pectine brute suivant la method Standard figurant au "Food Chemical O-sdex (IBA), National Academy of Science, Washington DC, Edition 1972, page 581" et on a trouve une valeur de 150 ° US -SAG "slow set". II est donc remarquable que la pectine resultant du procédé de l'invention ait un taux d'acétyle. si bas et posséde, sans purification ultérieure, des propriétés la rendant absolument competitive avec des pectines commerciales. On notera, par ailleurs, qu'on obtient des resultats comparables en travaillant, avec l'equipement laboratoire susmentionne, avec des valeurs de ΔP comprises dans la gamme susmentionnée de 3 à 20 atmospheres.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour simultanénent dépectiniser et déshydrater la pulpe désucrée de betterave sucriére par extraction directe, c'est-àdire sans la sécher au préalable, caractérisé par le fait qu'on acidifie cette pulpe brute humide, on la chauffe et on la so par portions, à une alternance de compressions et décompressions successives de matiére que la pectine se détache des fibers cellulosiques de cette pulpe et qu'elle se dissolve dans l'eau acidifiée que contient celle-ci, puis qu'on essore la nasse afin d 'A separate La phase liquid renfermant la pectine, la teneur en eau de la matiére solid ainsi essorée ne dépassant pas 50% en poids.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites compressions provoquent un ecrasement et une déformation de la pulpe et, consécutivement, un réarrangement directionnel des fibers de celle-ci.

3.Procedure suivant la revendication 1, caracterise par le fait que ladite πatiere essorée est riche en cellulose, que sa texture est homogeneous, fibreuse et non visqueuse et qu'elle se prete à une transformation directe en feuilles par la technique de fabrication du papier .

4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le liquide résultant de l'essorage contient la majorité de la pectine présente originalement dans la pulpe, cette pectine pouvant thunder lieu à formation de gels de qualité satisfaisante.

5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on aσidifie la pulpe au moyen d'un acide minéral concentre ou dilue de matiére à obtenir un pH de 0.2 à 3.

6. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on chauffe entre 30 et 60 ° C.

7. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on fait σirculer ladite pulpe dans un circuit coirprenant une pompe peristaltique, l'action de cette pompe résultant en l'application, en alternance, de coirpressions et de dépressions sur des portions de cette pulpe.

8. Procédé suivant La revendication 4, caractérisé par le fait que, outre la pectine, le liquide contient, dissous, des pentoses résultant de l'hydrolyse de l'hémicellulose de la pulpe brüte.