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CA 02951353 2016-12-06
WO 2016/001156 PCT/EP2015/064724
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PROCEDE DE FERMENTATION IBE
La présente invention concerne un procédé de production d'un mélange aqueux
comprenant
de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol par fermentation d'une solution
aqueuse
comprenant des sucres en 05 et/ou 06.
Etat de la technique
Afin de répondre aux enjeux de la transition énergétique, de nombreuses
recherches sont
actuellement menées pour développer des procédés pour produire de manière
"verte" des
intermédiaires chimiques qui peuvent se substituer à ceux généralement issus
du pétrole.
Ainsi par exemple l'éthylène "vert" peut être synthétisé par déshydratation de
l'éthanol qui est
lui-même obtenu par fermentation de sucres, de préférence du glucose. Dans les
procédés
de production d'éthanol dits de "première génération", le glucose qui est
fermenté provient
de plantes sucrières telles que la betterave ou la canne à sucre. Dans les
procédés dits de
1 5 "seconde génération", les sucres fermentés sont obtenus au départ de la
biomasse
lignocellulosique qui représente une des ressources renouvelables les plus
abondantes sur
terre. Les procédés de "seconde génération" mettent en jeu généralement les
étapes
suivantes :
= prétraitement de la biomasse pour rendre accessibles la cellulose et
l'hémicellulose
contenues dans la biomasse;
= hydrolyse enzymatique de la cellulose et l'hémicellulose pour produire un
hydrolysat
contenant du glucose,
= fermentation en éthanol du glucose contenu dans l'hydrolysat, et
= séparation/purification de l'éthanol obtenu après fermentation.
Un autre exemple de procédé actuellement étudié concerne la fermentation
"butylique" de
sucres qui permet la production de solvants. On peut citer par exemple les
fermentations
"ABE" qui correspond à la production d'un mélange comprenant de l'acétone, du
n-butanol
(produit majoritaire) et de l'éthanol ou "IBE" qui produit un mélange
contenant de
l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol. Ces fermentations sont réalisées
en anaérobiose
et en présence d'un microorganisme fermentaire de genre Clostridium.
La validité économique de ces types de procédé de production d'alcool et/ou de
solvant est
difficile à obtenir même pour les opérateurs disposant d'une large ressource
mobilisable.
L'optimisation de ces types de procédé passe notamment par une amélioration du
rendement de l'étape de fermentation des sucres par les microorganismes les
mieux adaptés.
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Un but de l'invention est de proposer un procédé de production d'un mélange
aqueux
(isopropanol, n-butanol, éthanol) par fermentation d'une solution aqueuse de
sucres
ayant 5 (C5) et/ou 6 (C6) atomes de carbone au moyen d'un microorganisme
fermentaire dont le rendement en solvant est amélioré.
Résumé de l'invention
L'invention concerne donc un procédé de production d'un mélange aqueux
comprenant
de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol comprenant une étape dans
laquelle on
fermente en anaérobiose une solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou
C6 et
de l'acétate en présence d'un microorganisme fermentaire du genre Clostridium
et dans
lequel ladite solution aqueuse a une concentration en acétate comprise entre
0,5 et 10
g/L et un rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6)
compris
entre 0,005 et 0,35 g/g.
Une autre réalisation de l'invention concerne un procédé production de
biocarburant
sous forme d'éthanol à partir de biomasse lignocellulosique, ledit procédé
comprenant
les étapes suivantes :
= on prétraite la biomasse lignocellulosique pour rendre accessibles de la
cellulose et de l'hémicellulose contenues dans la biomasse;
= on effectue une hydrolyse enzymatique de la cellulose et de
l'hémicellulose
pour produire un hydrolysat contenant des sucres; et
= on fermente en présence d'un microorganisme fermentaire les sucres de
l'hydrolysat pour produire du biocarburant sous forme d'éthanol ;
le procédé mettant en oeuvre en outre une étape de production d'un mélange
aqueux
comprenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol, caractérisée en ce
que dans
ladite étape on fermente en anaérobiose une solution aqueuse contenant des
sucres en
C5 et/ou C6 et de l'acétate en présence d'un microorganisme fermentaire du
genre
Clostridium et dans lequel ladite solution aqueuse a une concentration en
acétate
comprise entre 0,5 et 10 g/L et un rapport massique (acétate) / (la somme des
sucres
en C5 et/ou C6) compris entre 0,08 et 0,35 g/g, ladite solution étant choisie
dans le
groupe constitué par:
Date Reçue/Date Received 2021-09-17
2a
= un effluent résiduaire issu de l'étape de prétraitement de la biomasse
lignocellulosique;
= l'hydrolysat issu de l'hydrolyse enzymatique; et
= une vinasse produite par la fermentation des sucres.
De façon surprenante, les inventeurs ont constaté que la présence d'acétate
dans une
solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 permet d'améliorer les performances
en
fermentation "I BE" du microorganisme fermentaire du genre Clostridium et en
particulier
d'augmenter la concentration en isopropanol et n-butanol de la solution
aqueuse
obtenue à l'issue de la fermentation.
Dans le cadre de l'invention, le terme "acétate" désigne la forme déprotonée
de l'acide
acétique, c'est-à-dire de formule chimique CH3C00-. La proportion d'acétate
par
rapport à l'acide acétique et sa concentration dans la solution aqueuse
peuvent être
réglées au moyen de la variable "pH" de ladite solution.
De préférence, la concentration en acétate dans la solution aqueuse est
comprise entre
1 et 8 g/L. De manière plus préférée, la concentration en acétate dans la
solution
aqueuse est comprise entre 2 et 6 g/L, de préférence comprise entre 3 et 6
g/L.
De manière préférée, le pH de la solution aqueuse contenant des sucres en C5
et/ou
C6 et de l'acétate est compris entre 4 et 8. De manière plus préférée, le pH
de la
solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate est
compris entre
et 8.
De préférence le rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou
C6)
est compris entre 0,08 et 0,35 g/g. Le rapport massique (acétate) / (la somme
des
sucres en C5 et/ou C6) est de manière plus préférée compris entre 0,09 et 0,2
g/g.
Date Reçue/Date Received 2021-09-17
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De préférence la concentration en sucres C5 et/ou C6 de la solution aqueuse
est comprise
en 30 et 100 g/L.
Selon un mode de réalisation, la solution aqueuse contenant des sucres en C5
et/ou C6 et
de l'acétate est un flux résiduaire issu d'une étape de prétraitement d'une
biomasse
lignocellulosique.
Selon un autre mode de réalisation, la solution aqueuse contenant des sucres
en 05 et/ou
06 et de l'acétate est une vinasse produite par fermentation de sucres.
Optionnellement la
vinasse peut être au préalable concentrée, par exemple par évaporation.
De manière alternative, la solution aqueuse contenant des sucres en 05 et/ou
C6 et de
l'acétate est un hydrolysat issu de l'hydrolyse enzymatique d'une biomasse
lignocellulosique.
Selon un autre aspect de l'invention, la solution aqueuse contenant des sucres
en C5 et/ou
06 et de l'acétate est une solution aqueuse contenant des sucres en 05 et/ou
06
additionnée d'une solution aqueuse contenant de l'acétate qui est choisie
parmi :
= une vinasse produite par fermentation de sucres;
= un hydrolysat obtenu par hydrolyse enzymatique d'une biomasse
lignocellulosique;
= un effluent résiduaire issu d'une étape de prétraitement d'une biomasse
lignocellulosique.
De préférence, le sucre en 05 est le xylose et le sucre en 06 est le glucose.
Le glucose peut éventuellement provenir d'un flux issu de l'étape d'hydrolyse
enzymatique
d'un procédé de production de biocarburant (par exemple l'éthanol) de première
génération
utilisant comme matière première des plantes sucrières, comme par exemple la
betterave
sucrière et la canne à sucre ou encore du maïs ou des grains de blé.
De préférence, le microorganisme fermentaire utilisé dans le procédé selon
l'invention est
choisi parmi les souches Clostridium acetobutylicum et Clostridium
beijerinckii.
Les fermentations "IBE" sont réalisées à une température généralement comprise
entre 30 et
37 C, de préférence à 34 C, pendant une durée comprise entre 30 et 120 heures
et en
maintenant une agitation continue pour homogénéiser le milieu de culture. De
préférence la
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fermentation est conduite selon un mode "batch" ou "fed-batch", bien connu de
l'homme du
métier.
L'invention concerne également un procédé de production de biocarburant à
partir de
biomasse lignocellulosique comprenant les étapes suivantes:
= on prétraite la biomasse lignocellulosique pour rendre accessibles la
cellulose et
l'hémicellulose contenues dans la biomasse;
= on effectue une hydrolyse enzymatique de la cellulose et l'hémicellulose
pour
produire un hydrolysat contenant des sucres;
= on fermente en présence d'un microorganisme fermentaire les sucres de
l'hydrolysat
pour produire du biocarburant,
caractérisé en ce que le procédé met en oeuvre en outre un procédé de
production d'un
mélange aqueux comprenant de l'isopropanol, du n-butanol et de l'éthanol par
fermentation
d'une solution aqueuse contenant des sucres en C5 et/ou C6 et de l'acétate,
ladite solution
1 5 étant choisie parmi :
= un effluent résiduaire issue de l'étape de prétraitement de la biomasse
lignocellulosique;
= une vinasse produite par la fermentation des sucres;
= l'hydrolysat issu l'hydrolyse enzymatique.
Ainsi le procédé de production du mélange "IBE" selon l'invention est
avantageusement
intégré dans un procédé de production d'alcool et/ou de solvants de seconde
génération de
manière à traiter et valoriser des sous-produits générés notamment lors de
l'étape de
prétraitement et de fermentation.
Description détaillée de l'invention
L'invention a pour objet un procédé de fermentation dite "IBE" permettant de
produire, à
l'aide d'un microorganisme du genre Clostridium, un mélange de solvants
(isopropanol, n-
butanol, éthanol) à partir d'une solution aqueuse contenant des sucres en 05
et/ou 06 et en
présence d'acétate. La fermentation est opérée en absence d'oxygène et dans un
bioréacteur également désigné par le vocable "fermenteur". Le bioréacteur est
un
équipement de propagation de microorganismes fermentaires capables de produire
des
molécules (solvants ou autres composés organiques) d'intérêt. Une fermentation
en
bioréacteur permet ainsi une croissance du micro-organisme en batch avec un
contrôle des
paramètres-clés comme le pH, l'agitation et la température du milieu.
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L'étape de fermentation consiste à faire développer les microorganismes et
récupérer un
effluent réactionnelle ou moût de fermentation contenant une solution aqueuse
du mélange
(isopropanol, n-butanol, éthanol). Le produit de la fermentation est
généralement ensuite
traité dans une étape de concentration afin fournir une solution aqueuse
(isopropanol, n-
5 butanol, éthanol) concentrée.
La fermentation est réalisée à une température généralement comprise entre 30
et 37 C, de
préférence à 34 C, pendant une durée comprise entre 30 et 120 heures et en
maintenant
une agitation continue pour homogénéiser le milieu réactionnel.
Selon l'invention, la solution aqueuse contient généralement des sucres en C5
et/ou C6 à
raison de 30 à 100 g/L et en outre de l'acide acétique sous forme déprotonée,
c'est-à-dire
sous forme d'acétate de formule CH3C00-. La concentration en acétate dans
ladite solution
aqueuse est comprise entre 0,5 et 10 g/L, de préférence comprise entre 1 et 8
g/L, de
manière plus préférée comprise entre 2 et 6 g/L et de manière très préférée
comprise entre 3
et 6 g/L. En outre le rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5
et/ou C6) est
compris entre 0,005 et 0,35. Selon un mode de réalisation très préféré, le
rapport massique
(acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou 06) est compris entre 0,08 et
0,35 g/g, de
préférence compris entre 0,09 et 0,2.
La présence d'acide acétique (acide carboxylique faible dont le pKa est égal à
4,8 à 25 C)
sous forme acétate dépend du pH de la solution aqueuse. Ainsi selon
l'invention la solution
aqueuse a un pH compris entre 4 et 8, et de préférence compris entre 5 et 8.
Dans le cadre
de l'invention, l'acétate peut être ajouté à une solution aqueuse de sucres en
C5 et/ou C6
pour satisfaire la concentration en acétate du milieu de culture.
Le procédé selon l'invention implique l'utilisation d'un microorganisme du
genre Clostridium
qui est une bactérie de la famille des bacilles gram positifs anaérobies. De
préférence le
microorganisme fermentaire est choisi parmi les souches Clostridium
acetobutylicum et
Clostridium beijerinckii et peut être soit une souche naturelle soit un souche
génétiquement
modifiée pour produire de l'isopropanol.
La concentration en microorganisme dans le milieu de fermentation est
généralement
comprise entre 1 et 30 g/L, et de préférence comprise entre 2 et 10 g/L.
La solution aqueuse de sucres en C5 et/ou 06 qui peut être fermentée par le
procédé selon
l'invention peut avoir différentes origines. Cependant afin de répondre à la
problématique de
produire des solvants de manière "verte", la solution aqueuse provient
avantageusement du
traitement d'une ressource renouvelable. De préférence la ressource
renouvelable est du
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type biomasse lignocellulosique qui comprend notamment les substrats ligneux
(feuillus et
résineux), les sous-produits de l'agriculture (paille) ou ceux des industries
génératrices de
déchets lignocellulosiques (industries agroalimentaires, papeteries).
La solution aqueuse de sucres en C5 et/ou C6 peut également être obtenue à
partir de
plantes sucrières, comme par exemple la betterave sucrière et la canne à sucre
ou encore à
partir du maïs ou de grains de blé.
Tout sucre en C5 naturellement présent dans les différentes biomasses
lignocellulosiques
(mono- ou dicotylédones) utilisés pour la production de biocarburant par voie
biologique peut
être fermenté par le procédé selon l'invention. De préférence les sucres en 05
sont choisis
parmi le xylose et l'arabinose.
Tout sucre en C6 peut également être fermenté par le procédé selon
l'invention. De
préférence, les sucres en 06 sont choisis parmi le glucose, la mannose, le
galactose. De
manière plus préférée, le sucre en C6 est le glucose.
La solution aqueuse de sucres 05 et/ou C6 peut être issue d'une étape d'un
procédé de
production d'alcool et/ou de solvants de seconde génération. Dans ce cas, la
solution peut
être un effluent provenant de l'étape de prétraitement de la biomasse
lignocellulosique.
L'étape de prétraitement qui vise à modifier les propriétés physiques et
physico-chimiques du
matériau lignocellulosique, en vue d'améliorer l'accessibilité de la cellulose
emprisonnée au
sein de la matrice de lignine et d'hémicellulose génère des effluents
résiduaires contenant
généralement un mélange de sucres en 05 et 06 qui peuvent être ainsi
avantageusement
utiliséq pour la fermentation IBE selon l'invention. Par exemple l'effluent
résiduaire peut être
issu d'un prétraitement choisi parmi la cuisson acide, la cuisson alcaline,
l'explosion à la
vapeur avec ou sans imprégnation acide, les procédés Organosolv. Un tel
effluent issu du
prétraitement est avantageux dans la mesure où il contient des sucres utiles
pour la
fermentation et également de l'acide acétique (ou acétate).
De préférence, la solution aqueuse contenant des sucres en 05 et/ou 06 et de
l'acétate est
un effluent résiduaire issu d'un prétraitement par explosion à la vapeur. Le
prétraitement par
explosion à la vapeur est aussi connu sous le nom de "steam explosion", "steam
gunning",
"détente explosive", "prétraitement à la vapeur". Dans ce procédé, la biomasse
est portée
rapidement à haute température (150 - 250 C) par injection de vapeur sous
pression. L'arrêt
du traitement s'effectue généralement par décompression brutale, appelée
détente ou
explosion, qui déstructure la matrice lignocellulosique. Les temps de séjour
varient de 10
secondes à quelques minutes, pour des pressions allant de 10 à 50 bars. De
nombreuses
configurations sont possibles pour ce type de prétraitement. La mise en oeuvre
peut-être de
type batch, ou de type continue. L'explosion vapeur peut-être précédée d'une
imprégnation
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d'acide pour favoriser l'hydrolyse des hémicelluloses lors de la cuisson.
Lorsque l'explosion à
la vapeur est appliquée sur un substrat préalablement acidifié, par exemple
avec l'H2804,
elle conduit généralement à une solubilisation et à une hydrolyse quasi-totale
des
hémicelluloses en leurs monomères. L'utilisation d'une pré-imprégnation acide
permet
notamment de diminuer la température du procédé (entre 150 et 200 C contre 250
C pour
l'explosion à la vapeur sans imprégnation acide) et ainsi de minimiser la
formation de
composés de dégradation.
Ainsi le flux aqueux contenant des sucres en 05 et/ou C6 et de l'acétate qui
est fermenté par
le procédé selon l'invention peut avoir comme origine une liqueur acide,
récupérée à l'issu de
l'étape d'imprégnation acide d'une biomasse lignocellulosique qui précède
l'étape de
prétraitement par explosion à la vapeur.
Il également possible d'utiliser comme source de solution aqueuse contenant
des sucres en
C5 et/ou C6 et de l'acétate, la fraction liquide récupérée après une opération
de séparation
solide/liquide réalisée sur le substrat prétraité obtenu après la phase de
détente de l'étape de
prétraitement par explosion à la vapeur.
Il est également possible d'utiliser comme solution aqueuse de sucres en 05
et/ou 06 et de
l'acétate un hydrolysat obtenu par hydrolyse enzymatique de la cellulose et de
l'hémicellulose libérées lors de l'étape de prétraitement de la biomasse. A
titre d'exemple,
l'hydrolyse être réalisée en présence d'enzymes cellulolytiques et/ou
hemicellulolytiques
produites par un microorganisme appartenant aux genres Trichoderma,
Aspergillus,
Penicillium ou Schizophyllum.
Dans le cadre de l'invention, la solution aqueuse de sucres en C5 et/ou 06 et
de l'acétate
peut également être un effluent résiduaire issu de l'étape de fermentation qui
est également
désigné par le terme "vinasse". Typiquement ce résidu liquide de la
fermentation contient
des sucres non fermentés dont des pentoses (sucres C5) et voire des traces
d'hexoses les
plus difficiles à métaboliser par le microorganisme fermentaire (par exemple
le galactose).
Afin de respecter la teneur en acétate dans la solution aqueuse de sucres, il
est possible
bien entendu d'enrichir ladite solution aqueuse de sucres en 05 et/ou 06 et de
l'acétate en
apportant de l'acide acétique supplémentaire dans le milieu. De façon
avantageuse, on
utilise comme source d'acétate les sources suivantes:
= la liqueur acide récupérée à l'issue de l'étape d'imprégnation acide
d'une biomasse
lignocellulosique qui précède l'étape d'explosion à la vapeur.
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= la fraction liquide issue d'une opération de séparation solide/liquide
réalisée sur la
biomasse prétraitée qui est récupérée après la phase de détente de l'étape de
prétraitement par explosion à la vapeur;
= un condensat issu du traitement de la phase vapeur générée par l'étape de
prétraitement par explosion à la vapeur.
Exemples de mise en uvre du procédé selon l'invention
Des exemples de mode de réalisation du procédé selon l'invention sont décrits
ci-après en
se référant aux dessins parmi lesquels :
= La figure 1 est un schéma d'un procédé de production d'alcool et/ou de
solvants de
seconde génération intégrant une unité de fermentation "IBE".
= La figure 2 est un schéma du procédé de fermentation "IBE" selon
l'invention.
La figure 1 représente un exemple de mise en oeuvre du procédé selon
l'invention qui est
avantageusement intégré dans un procédé de production d'alcool et/ou de
solvants de
seconde génération.
Le substrat (biomasse lignocellulosique) est introduit par la ligne 1 dans le
réacteur de
prétraitement 2. Les réactifs et utilités telles que la vapeur nécessaires à
la conduite du
prétraitement sont introduits par la ligne 3. Du réacteur de prétraitement 2,
on extrait par la
ligne 6 un substrat prétraité et un effluent de prétraitement résiduaire qui
est évacué par la
ligne 4. La composition de l'effluent résiduaire dépend de la méthode utilisée
pour le
prétraitement. Lorsque le prétraitement est de type acide avec ou sans
explosion à la
vapeur, l'effluent résiduaire peut contenir entre 0,5 et 10 g/L d'acide
acétique.
Dans le cadre de l'invention, l'effluent résiduaire du prétraitement contenant
des sucres en
C5 et/ou C6 et de l'acétate est avantageusement traité par le procédé selon
l'invention après
éventuellement une mise au pH de l'effluent résiduaire lorsque le pH de ce
dernier est en
dehors de la gamme 4 à 8 unités pH.
Comme indiqué sur la figure 1, l'effluent résiduaire est envoyé par la ligne 4
dans le réacteur
de fermentation "IBE" 19 afin de produire une solution aqueuse contenant un
mélange
(isopropanol, n-butanol, éthanol).
Quant au substrat prétraité, il est envoyé par la ligne 5 dans une unité 7 de
conversion de la
cellulose en alcool et/ou solvant. Comme représenté sur la figure 1, l'unité
de conversion 7
comprend au moins un réacteur d'hydrolyse enzymatique 7a de la cellulose en
hexoses (de
préférence en glucose) et un bioréacteur de fermentation alcoolique et/ou de
solvants 7b qui
transforme les hexoses en alcool et/ou en solvants. De préférence la
fermentation est de
type éthylique permettant de produire de l'éthanol.
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Les conditions de l'hydrolyse enzymatique, principalement le taux de matière
sèche du
mélange à hydrolyser et la quantité d'enzymes utilisée, sont choisies de façon
à obtenir une
solubilisation de la cellulose comprise entre 20% et 99% au sein du réacteur
7a, et plus
particulièrement entre 30% et 95%. L'eau nécessaire à l'obtention du taux de
matière solide
.. visé est ajoutée par la conduite 8. Les enzymes cellulolytiques et/ou
hémicellulolytiques sont
ajoutées par la ligne 8a. L'hydrolysat obtenu en sortie du réacteur 7a est
envoyé par la ligne
9 dans le bioréacteur de fermentation 7b. Selon une variante, les étapes 7a et
7b sont
réalisées de manière concomitante au sein d'un même réacteur.
Les microorganismes utilisés pour la fermentation des hexoses libérés sont
introduits par la
ligne 8b et les additifs nécessaires pour une mise au pH ou une liquéfaction
sont introduits
par la ligne 8c dans le bioréacteur 7b.
Un moût de fermentation contenant un mélange aqueux alcoolique et/ou de
solvants et de la
matière solide (principalement de la lignine) est soutiré du bioréacteur 7b
par la ligne 11 et
envoyé dans une unité de traitement 12 permettant de récupérer une solution
aqueuse
alcoolique et/ou de solvants concentrée.
Comme indiqué sur la figure 1, l'unité de traitement 12 comprend une unité de
concentration
des alcools et/ou solvants 13 et une unité de séparation solide/liquide 15. A
l'issue de l'étape
de concentration, on récupère un flux aqueux d'alcool et/ou de solvants
concentré qui est
évacué par la ligne 16 et une boue qui est soutiré par la ligne 14. La boue
est composée
d'une fraction solide, constituée essentiellement de cellulose,
d'hémicellulose et de lignine
qui n'ont pas été hydrolysées, et d'une fraction liquide désignée par le terme
"vinasse".
Comme indiqué sur la figure 1, la boue est traitée au sein de l'unité de
séparation
solide/liquide 15. Cette unité 15 permet de séparer les solides résiduels par
la ligne 17 et
une fraction liquide (ou vinasse) par la ligne 18.
La vinasse, qui est une solution aqueuse contenant des sucres non fermentés
avec en
particulier des pentoses (xylose, arabinose), voire des traces d'hexoses (par
exemple le
galactose qui est l'hexose le plus difficile à métaboliser par les levures
conventionnelles)
ainsi que des oligomères de sucres et de l'acétate, constitue ainsi une
solution utile pour la
fermentation "IBE" selon l'invention.
Comme montré sur la figure 1, la vinasse est avantageusement traitée dans le
bioréacteur
de fermentation "IBE" 19. Alternativement, la vinasse peut être préalablement
concentrée
avant d'être envoyée dans le réacteur 19.
Selon une autre option, la boue peut être directement envoyée dans le
bioréacteur "IBE" 19.
Le bioréacteur de fermentation "IBE" 19 est alimenté en microorganisme du
genre
Clostridium par la ligne 21 et en acide acétique par la ligne 20. La présence
de ligne 20
apportant l'acide acétique est utile lorsque le milieu de culture dans le
réacteur 19 ne
contient pas suffisamment d'acétate conformément à l'invention.
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Il est à noter que l'acide acétique ajouté peut provenir d'un condensat
produit par l'étape de
prétraitement lorsque celle-ci met implique une explosion à la vapeur.
Un mélange aqueux "IBE" est ainsi récupéré en sortie du bioréacteur 19 via la
ligne 22.
Comme représenté à la figure 1, il est également possible de prévoir un
piquage d'une ligne
5 10 sur la ligne 9 afin d'alimenter le bioréacteur 19 en hydrolysat
produit par le réacteur
d'hydrolyse enzymatique 7a. La présence de la ligne 10 permet notamment de
régler la
concentration en sucres C5 et/ou C6 du milieu de culture dans le bioréacteur
19.
La figure 2 représente un exemple de mise en oeuvre du procédé de production
d'un
10 mélange aqueux d'isopropanol, de n-butanol et d'éthanol selon
l'invention.
Le substrat (biomasse lignocellulosique) est introduit par la ligne 1 dans le
réacteur de
prétraitement 2. Les réactifs et utilités telles que la vapeur nécessaires à
la conduite du
prétraitement sont introduits par la ligne 3. Du réacteur de prétraitement 2,
on extrait par la
ligne 5 un substrat prétraité et un effluent du prétraitement résiduaire qui
est évacué par la
ligne 4. La composition de l'effluent résiduaire dépend de la méthode utilisée
pour le
prétraitement.
Dans ce mode de réalisation, l'effluent résiduaire du prétraitement contenant
des sucres en
C5 et/ou C6 et de l'acétate, est avantageusement traité par le procédé selon
l'invention.
Comme indiqué sur la figure 2, l'effluent résiduaire est envoyé par la ligne 4
dans le réacteur
de fermentation "IBE" 19 afin de produire une solution aqueuse contenant un
mélange
aqueux d'isopropanol, de n-butanol et d'éthanol.
Quant au substrat prétraité, il est envoyé par la ligne 5 dans une unité de
conversion de la
cellulose en hexoses 7a dans laquelle est réalisée l'hydrolyse enzymatique de
la cellulose.
Les conditions de l'hydrolyse enzymatique, principalement le taux de matière
sèche du
mélange à hydrolyser et la quantité d'enzymes utilisée, sont choisies de façon
à obtenir une
solubilisation de la cellulose comprise entre 10% et 99% au sein du réacteur
7, et plus
particulièrement entre 15 et 95%. L'eau nécessaire à l'obtention du taux de
matière solide
visé est ajoutée par la conduite 8. Les enzymes cellulolytiques et/ou
hémicellulolytiques sont
ajoutées par la ligne 8a.
L'hydrolysat obtenu en sortie de l'unité de conversion de la cellulose 7a est
envoyé par la
ligne 9 dans le bioréacteur de fermentation "IBE" 19.
Les microorganismes du genre Clostridium utilisés pour la fermentation des
hexoses et des
pentoses sont introduits par la ligne 21.
Un moût de fermentation contenant un mélange aqueux isopropanol, n-butanol,
éthanol et
de la matière solide (principalement de la lignine) est ainsi soutirée du
bioréacteur 19 par la
ligne 22 et envoyé dans une unité de traitement 23 permettant de récupérer,
une solution
aqueuse concentrée isopropanol, n-butanol, éthanol.
CA 02951353 2016-12-06
WO 2016/001156 PCT/EP2015/064724
li
Comme indiqué sur la figure 2, l'unité de traitement 23 comprend une unité de
concentration
des solvants 24 et une unité de séparation solide/liquide 26. A l'issue de
l'étape de
concentration, on récupère un flux aqueux de solvants concentré qui évacué par
la ligne 27
et une boue qui est soutirée par la ligne 25. La boue est composée d'une
fraction solide,
constituée essentiellement de cellulose, d'hémicellulose et de lignine qui
n'ont pas été
hydrolysées, et d'une fraction liquide désignée par le terme "vinasse". La
boue est donc
traitée au sein de l'unité de séparation solide/liquide 26. Cette unité 26
permet de séparer les
solides résiduels par la ligne 28 et une fraction liquide (ou vinasse) par la
ligne 29.
La vinasse, qui est une solution aqueuse contenant des sucres résiduels et
éventuellement
de l'acétate, constitue une solution utile pour la fermentation IBE. Comme
montré sur la
figure 2, la vinasse est avantageusement recyclée dans le bioréacteur de
fermentation "IBE"
19 par la ligne 29. De manière alternative la boue, contenant les résidus
solides et la
vinasse, est directement envoyée dans le bioréacteur "IBE" 19. Le bioréacteur
de
fermentation "IBE" 19 est alimenté par la ligne 20 en acide acétique (ou
acétate) lorsque le
milieu de culture dans le réacteur 19 ne contient pas suffisamment d'acétate
conformément à
l'invention. L'acide acétique (ou acétate) peut être éventuellement provenir
d'un condensat
produit après le traitement de la phase vapeur produite par la phase de
détente du
prétraitement par explosion à la vapeur.
Exemple
Une fermentation Isopropanol/Butanol/Ethanol en batch a été réalisée à l'aide
de la souche
Clostridium beijerinckii NRRL B593 (DSMZ 6423) et dans un milieu de culture
CM1
contenant 60 g/L de glucose et auquel il a été ajouté 0 g/L ou 3 g/L ou 6 g/L
d'acétate
d'ammonium.
La composition pour 1 litre de solution CM1 est détaillée ci-dessous :
Quantité [en g]
Extrait de levure 5,00
KH2PO4 1,00
K2HPO4 0,60
CH3000NH4 2,90
FeSO4.7H20 0,50
MgSO4.7H20 1,00
p-amino-benzoate 0,10
Glucose 60
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La fermentation a été menée en batch dans les conditions opératoires
suivantes:
= température de 34 C
= une agitation à 150 tours par minute
II est à noter que le pH n'est pas régulé dans les milieux de fermentation
contenant de
l'acétate.
La quantité de la souche Clostridium beijerinckii NRRL B593 mise en oeuvre
pour les tests
est comprise entre 16 et 24 g/L et a été déterminée par mesure de la densité
optique à 600
nm du milieu de culture après ensemencement de la souche.
Le tableau 1 donne les concentrations finales en substrats et produits obtenus
en fin de
culture batch après 50 heures.
Contrôle Aci Ac2
Pas de régulation Pas de régulation
pH0=5,8
de pH de pH
Acétate ajouté 0 g/L 3,0 g/L 6 g/L
Concentration Acétate 2,9 5,9 8,9
Rapport massique
0,048 0,098 0,148
[acétate/glucose] (g/g)
Glucose consommé [g/L] 36,5 36,8 +/_ 1,7 38,7
Acide acétique 1 [g/L] 0,8 -1,7 +/_ 0,01 -3,3
Acide butyrique [g/L] 0,1 0,3 +I_ 0,1 1,8
Ethanol [g/L] 0,1 0,1 +/_ 0,01 0,2
Isopropanol [g/L] 2,9 4,5 +/_ 0,3 5,9
Butanol [g/L] 5,6 8,4 +7_ 1,9 8,2
Solvants totaux [g/L] 8,9 13,2 +L2,3 16,6
lune valeur négative indique une consommation nette d'acide acétique ([acide
acétique]final _ [acide acétique]
initial,
Tableau 1
Le suivi du pH du milieu de fermentation indique que le pH s'élève jusqu'à 5,3
dans les
milieux contenant de l'acétate sans impacter les performances de la souche.
Cette évolution
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du pH dans les bioréacteurs peut-être la conséquence de nombreux équilibres
entre
production et ré-assimilation des acides.
On observe ainsi que la souche, quel que soit le milieu de culture (contenant
ou non de
l'acétate), consomme les mêmes quantités de glucose au bout de 50 heures de
fermentation. En revanche, la production de solvants (isopropanol et butanol)
augmente
fortement lorsque dans le milieu de culture on a jouté 3 g/L d'acétate (soit
un rapport
massique (acétate) / (la somme des sucres en 05 et/ou 06) de 0,098) ou 6 g/L
d'acétate
(soit un rapport massique (acétate) / (la somme des sucres en C5 et/ou C6) de
0,148).
On constate également une consommation de l'acétate, de 1,8 ou 3,3 g/L pour
les
fermentations dans les milieux contenant respectivement 3 ou 6 g/L d'acétate,
par la souche
Clostridium beijerinckii NRRL B593.
