Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2012/010750 1 PCT/FR2011/000426
PROCÉDÉ DE PRODUCTION DE SUCRES A PARTIR DE BIOMASSE LIGNOCELLULOSIQUE
PRÉTRAITÉE
AVEC UN MÉLANGE DE SELS INORGANIQUES HYDRATÉS ET DE SELS MÉTALLIQUES
Domaine de l'invention
La présente invention s'inscrit dans le cadre d'un procédé de production
d'alcool dit "de
seconde génération" à partir de biomasse lignocellulosique.
Art antérieur
Devant l'augmentation de la pollution et du réchauffement climatique, de
nombreuses études
sont actuellement menées pour utiliser et optimiser les bioressources
renouvelables, comme
la biomasse lignocellulosique.
La biomasse lignocellulosique est composée de trois principaux polymères : la
cellulose (35
à 50%), l'hémicellulose (23 à 32%) qui est un polysaccharide essentiellement
constitué de
pentoses et d'hexoses et la lignine (15 à 25%) qui est un polymère de
structure complexe et
de haut poids moléculaire, provenant de la copolymérisation d'alcools
phénylpropénoïques.
Ces différentes molécules sont responsables des propriétés intrinsèques de la
paroi végétale
et s'organisent en un enchevêtrement complexe.
La cellulose, majoritaire dans cette biomasse, est ainsi le polymère le plus
abondant sur
Terre et celui qui présente le plus grand potentiel pour former des matériaux
et des
biocarburants. Cependant le potentiel de la cellulose et de ses dérivés n'a
pas pu, pour le
moment, être complètement exploité, majoritairement en raison de la difficulté
d'extraction de
la cellulose. En effet, cette étape est rendue difficile par la structure même
des plantes. Les
verrous technologiques identifiés liés à la transformation de la cellulose
sont notamment son
accessibilité, sa cristallinité, son degré de polymérisation, la présence de
l'hémicellulose et
de la lignine. Il est donc indispensable de mettre au point de nouvelles
méthodes de
prétraitement de la biomasse lignocellulosique pour un accès plus aisé à la
cellulose et
permettre sa transformation.
La production de biocarburant est une application nécessitant un prétraitement
de la
biomasse. En effet, la seconde génération de biocarburant utilise comme charge
les déchets
végétaux ou agricoles, tel que le bois, la paille de blé, ou des plantations
dédiées à fort
potentiel de croissance comme le miscanthus. Cette matière première est perçue
comme
une solution alternative, durable, ayant peu ou pas d'impact sur
l'environnement et son coût
faible et sa grande disponibilité en font un solide candidat pour la
production de
biocarburants.
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Le principe du procédé de conversion de la biomasse lignocellulosique en
biocarburant
utilise une étape d'hydrolyse enzymatique de la cellulose contenue dans les
matières
végétales pour produire du glucose. Ce glucose est ensuite fermenté en
éthanol, le
biocarburant.
Cependant, la cellulose contenue dans la biomasse lignocellulosique est
particulièrement
réfractaire à l'hydrolyse enzymatique, notamment car la cellulose n'est pas
directement
accessible aux enzymes. Pour s'affranchir de ce caractère réfractaire, une
étape de
prétraitement en amont de l'hydrolyse enzymatique est nécessaire. Il existe de
nombreuses
méthodes de traitement des matériaux riches en cellulose, chimique,
enzymatique,
microbiologique pour améliorer l'étape ultérieure d'hydrolyse enzymatique.
Ces méthodes sont par exemple : l'explosion à la vapeur, le procédé
organosolv, l'hydrolyse
à l'acide dilué ou concentré ou encore le procédé AFEX (" Ammonia Fiber
Explosion"). Ces
techniques sont encore perfectibles et souffrent notamment de coûts encore
trop élevés, de
problèmes de corrosion, de faibles rendements et de difficultés
d'extrapolation au niveau
industriel (F. Talebnia, D. Karakashev, I. Angelidaki Biores. Technol. 2010,
101, 4744-4753).
Depuis quelques années, un nouveau type de prétraitement consistant à utiliser
des liquides
ioniques est étudié. Les liquides ioniques sont des sels, constitués
uniquement d'ions
liquides à des températures inférieures ou égales à 100 C et permettent
d'obtenir des
milieux hautement polaires. Ils sont ainsi utilisés comme solvants ou comme
milieux
réactionnels de traitement de la cellulose ou des matières lignocellulosiques
(WO 05/17252 ;
WO 05/23873). Mais au même titre que les autres prétraitements, les liquides
ioniques
présentent des problèmes de coûts importants liés aux prix des liquides
ioniques et à leur
recyclabilité souvent difficile.
Il apparaît nécessaire de limiter les coûts de prétraitement, notamment en
utilisant des
réactifs facilement disponibles et peu chers. C'est dans ce cadre que
s'inscrit la présente
invention.
Résumé de l'invention
La présente invention porte sur un procédé de conversion de la biomasse
lignocellulosique
en sucres, comprenant au moins trois étapes. La première étape est une étape
de cuisson
de la biomasse lignocellulosique dans un milieu comprenant au moins un sel
inorganique
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hydraté en mélange avec au moins un autre sel métallique. La seconde étape est
une étape
de séparation d'au moins une fraction solide ayant subi l'étape de cuisson et
la troisième
étape est une étape d'hydrolyse enzymatique de ladite fraction solide pour
convertir les
polysaccharides en monosaccharides. Les sucres ainsi obtenus sont ensuite
fermentescibles
en alcools.
Description des Figures
La Figure 1 représente la cinétique de l'hydrolyse enzymatique de la paille de
blé selon le
procédé de la présente invention, mettant en oeuvre une étape de cuisson de la
biomasse en
présence de LiCI.H2O(98 %)/ZnCI2.2,5 H20(2 %) à 140 C.
La Figure 2 représente la cinétique de l'hydrolyse enzymatique de la paille de
blé selon le
procédé de la présente invention, mettant en oeuvre une étape de cuisson de la
biomasse en
présence de LiCI.2H20(10 %)/ZnCI2.2,5 H20(90 %) à 80 C.
La Figure 3 représente la cinétique de l'hydrolyse enzymatique de la paille de
blé selon le
procédé de la présente invention, mettant en oeuvre une étape de cuisson de la
biomasse en
présence de NaCI.6H20(10 %)/ZnCI2.2,5 H20(90 %) à 80 'C-
La Figure 4 représente la cinétique de l'hydrolyse enzymatique de la paille de
blé selon le
procédé de la présente invention, mettant en oeuvre une étape de cuisson de la
biomasse en
présence de NaCI.6H20(10 %)/ZnC12.2,5 H20(90 %) recyclé à 80 C.
La Figure 5 représente la cinétique de l'hydrolyse enzymatique de la paille de
blé selon le
procédé de la présente invention, mettant en oeuvre une étape de cuisson de la
biomasse en
présence de LiCI.2H20(10 %)/FeCI3.6 H20(90 %) à 60 C.
La Figure 6 représente la cinétique de l'hydrolyse enzymatique de la paille de
blé selon le
procédé de la présente invention, mettant en oeuvre une étape de cuisson de la
biomasse en
présence de LiCI.2H20(20 %)/FeC13.6 H20(80 %) à 60 C.
La Figure 7 représente la cinétique de l'hydrolyse enzymatique d'une paille de
blé native,
n'ayant subi aucun prétraitement.
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La Figure 8 représente la cinétique de l'hydrolyse enzymatique de la paille de
blé lorsqu'elle
est prétraitée par explosion à la vapeur préalablement à l'hydrolyse
enzymatique.
Description détaillée de l'invention
Le procédé de conversion de biomasse lignocellulosique en monosaccharides
selon la
présente invention comprend au moins :
a) une étape de cuisson de la biomasse en présence ou en absence d'un solvant
organique, dans un milieu comprenant au moins un sel inorganique hydraté de
formule (1) :
MXC.n'H20
dans lequel X est un anion et M un métal choisi dans les groupes 1 et 2 de la
classification périodique, n est un nombre entier valant 1 ou 2 et n' étant
compris
entre 0,5 et 6
en mélange avec au moins un autre sel métallique, hydraté ou non, de formule
générale (2):
M'Y,,,.m'H20
dans lequel Y est un anion, identique ou différent de X, et M' un métal choisi
dans les
groupes 3 à 13 de la classification périodique, m est un nombre entier compris
entre
1 et 6 et m' étant compris entre 0 et 6.
b) une étape de séparation d'une fraction solide ayant subi l'étape de cuisson
;
c) une étape d'hydrolyse enzymatique de ladite fraction solide.
Ce procédé permet de transformer la biomasse lignocellulosique en sucres
fermentescibles
avec d'excellents rendements. Il présente de plus l'avantage d'utiliser des
réactifs peu chers,
largement disponibles et recyclables, permettant ainsi d'obtenir un coût de
prétraitement
faible, notamment par rapport à un procédé utilisant des liquides ioniques.
Cette technologie
est également simple à mettre en ceuvre et permet d'envisager aisément une
extrapolation
au niveau industriel.
Grâce au procédé selon la présente invention, la transformation de la biomasse
lignocellulosique en sucres fermentescibles est réalisée avec un excellent
rendement.
L'étape de cuisson réalisée selon le procédé de la présente invention permet
de réduire la
durée d'hydrolyse enzymatique par rapport aux procédés décrits dans l'art
antérieur. Le
procédé selon la présente invention permet d'atteindre des rendements glucose
élevés avec
des temps de cuisson courts, permettant un gain important en terme de
productivité des
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équipements puisqu'il devient possible d'utiliser des quantités d'enzymes
moindre et/ou de
réduire la taille des cuves d'hydrolyse enzymatique.
Le procédé selon l'invention permet de réaliser l'étape de cuisson de la
biomasse
lignocellulosique à des températures modérées, en absence de pression, ce qui
constitue un
gain important en terme de coûts énergétiques.
De façon préférée, le milieu dans lequel l'étape de cuisson est réalisé est
constitué d'un ou
plusieurs sels inorganiques hydratés de formule (1) en mélange avec au moins
un autre sel
métallique, hydraté ou non, de formule (2).
Cette étape de cuisson est réalisée en présence ou absence d'un solvant
organique.
La biomasse lignocellulosique, ou matériaux lignocellulosiques employés dans
le procédé
selon l'invention est obtenue à partir de bois (feuillus et résineux), brut ou
traité, de sous
produits de l'agriculture tels que la paille, de fibres de plantes, de
cultures forestières, de
résidus de plantes alcooligènes, sucrières et céréalières, de résidus de
l'industrie papetière,
ou de produits de transformations de matériaux cellulosiques ou
lignocellulosiques. Les
matériaux lignocellulosiques peuvent également être des biopolymères et sont
préférentiellement riches en cellulose.
Préférentiellement la biomasse lignocellulosique utilisée est du bois, de la
paille de blé, de la
pulpe de bois, de la paille de riz ou des tiges de maïs.
Selon le procédé de la présente invention, les différents types de biomasse
lignocellulosique
peuvent être utilisés seuls ou en mélange.
Dans l'étape de cuisson, la biomasse lignocellulosique est présente dans une
quantité
comprise entre 0,5% et 40% poids de la masse totale du mélange biomasse
lignocellulosique/sel inorganique hydraté/sel métallique, préférentiellement
dans une quantité
comprise entre 3% et 25% poids.
De façon préférée, l'anion X est un anion halogénure choisi parmi CI, F, Br et
I, un anion
perchlorate (CI04), un anion thiocyanate (SCN), un anion nitrate (NO3) ou un
anion acétate
(CH3000).
Le métal M est de préférence choisi parmi le lithium, le magnésium, le
calcium, le potassium
ou le sodium.
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De façon préférée, dans la formule MX,,.n'H20 (1) du sel inorganique hydraté,
n' est compris
entre 1 et 6.
Selon la présente invention, le sel inorganique hydraté répondant à la formule
(1) peut être
préparé in situ par l'association d'un sel composé d'un cation des groupes 1
et 2 de la
classification périodique et d'un anion carbonate, hydrogénocarbonate ou
hydroxyde avec un
acide. L'acide peut être utilisé pur ou en solution aqueuse.
De façon préférée, dans le sel métallique de formule (2), l'anion Y est choisi
parmi les anions
halogénures, nitrates, carboxylates, halogénocarboxylates, acétylacetonates,
alcoolates,
phénolates, éventuellement substitués, sulfates, alkylsulfates, phosphates,
alkylphosphates,
fluorosulfonates, alkylsulfonates, par exemple le méthylsulfonate,
perfluoroalkylsulfonates,
par exemple le trifluorométhylsulfonate, bis(perfluoroalkylsulfonyl)amidures,
par exemple
l'amidure de bis trifluorométhylsulfonyle de formule N(CF3S02)2 ,
arènesulfonates,
éventuellement substitués par des groupements halogènes ou halogénoalkyles.
De façon encore préférée, l'anion Y est choisi parmi les anions fluorure,
chlorure, bromure,
acétate, et triflate.
De façon préférée le métal M' est choisi parmi le fer, le cobalt, le nickel,
le cuivre, le zinc,
l'aluminium, l'indium ou le lanthane.
De façon préférée, le sel métallique de formule générale (2) est choisi parmi
FeBr3, FeCI3,
FeCI3.6H20, FeF3, Fe(N03)3, CoCI2, CoCI2.6H20, Ni(CH3COO)2.4H20, NiBr2, NiCI2
NiCI2.6H20, Zn(CH3COO)2.2H20, ZnBr2, ZnCI2, ZnC12.2,5H20, AIBr3, AICI3,
AIC13.6H2OLaCI3,
LaC13.6H20.
La fraction molaire du sel inorganique hydraté de formule (1) dans le mélange
d'au moins un
sel inorganique hydraté de formule (1) et d'au moins un sel métallique de
formule (2) peut
être comprise entre 0,05 et 1.
L'étape de cuisson de la biomasse peut être réalisée dans un milieu constitué
d'un mélange
de différents sels inorganiques hydratés répondant à la formule (1) et/ou de
différents sels
métalliques répondant à la formule (2).
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A titre d'exemples de mélanges de sels inorganiques hydratés et de sels
métalliques pouvant
être utilisés pour l'étape de cuisson selon la présente invention, on peut
citer les
compositions molaires suivantes:
-LiCI.H20(98 %)/ZnC12.2,5 H20(2 %),
-LiCI.2H20(10 %)/ZnC12.2,5 H20(90 %),
-NaCI.6H2O(10 %)/ZnCI2.2,5 H20(90 %),
-LiCH3000.3H20(10 %)/ZnCI2.2,5 H20(90 %),
-LiC1.2H2O(20 %)/ZnC12.2,5 H20(80 %),
-NaCI.6H2O(20 %)/ZnCI2.2,5 H20(80 %),
-LiCI.2H20(10 %)/FeCl3.6 H20(90 %),
-NaCI.6H20(10 %)/FeCI3.6 H20(90 %),
-LiCH3000.3H20(10 %)/FeCl3.6 H20(90 %),
-LiCI.2H20(20 %)/FeCI3.6 H20(80 %),
-NaC1.6H20(20 %)/FeC13.6 H20(80 %)-
Selon le procédé de la présente invention, plusieurs étapes de cuisson
successives peuvent
être réalisées dans un milieu constitué d'au moins un sel inorganique hydraté
de formule (1)
en mélange avec au moins un sel métallique de formule (2).
De façon préférée, la température de cuisson est comprise préférentiellement
entre -20 C et
250 C, de préférence entre 20 et 160 C. Très préférentiellement, la
température de cuisson
ne dépasse pas 100 C.
La durée de la cuisson est comprise entre 0,5 minute et 168 h,
préférentiellement entre 5
minutes et 4h et encore plus préférentiellement entre 20 minutes et 2h.
L'étape de cuisson de la biomasse lignocellulosique selon la présente
invention peut être
réalisée en présence d'un solvant organique. Le solvant organique peut être
choisi parmi les
alcools tels que le méthanol, l'éthanol, le n-propanol, l'isopropanol, le n-
butanol, l'isobutanol
ou le tert-butanol, les diols et polyols tels que l'éthanediol, le propanediol
ou le glycérol, les
amino alcools tels que l'éthanolamine, la diéthanolamine ou la
triéthanolamine, des cétones
telles que l'acétone ou la méthyléthylcétone, les acides carboxyliques tels
que l'acide
formique ou l'acide acétique, les esters tels que l'acétate d'éthyle ou
l'acétate d'isopropyle, le
diméthylformamide, le diméthylacétamide, le diméthylsulfoxide, l'acétonitrile,
les solvants
aromatiques tels que le benzène, le toluène, les xylènes, les alcanes.
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Selon un autre mode de réalisation, l'étape de cuisson de la biomasse
lignocellulosique
selon la présente invention peut être réalisée en absence de solvant
organique.
La deuxième étape b) du procédé selon l'invention consiste à séparer une
fraction solide, qui
a subi l'étape de cuisson a) décrite précédemment. Cette séparation est
généralement
réalisée par addition d'au moins un anti-solvant qui entraîne la précipitation
de la fraction
solide.
La séparation de cette fraction solide précipitée et d'une fraction liquide
contenant le sel
inorganique hydraté, le sel métallique et l'anti-solvant peut-être réalisée
par les techniques
usuelles de séparation solide-liquide. Par exemple, la séparation de la
fraction solide ayant
subi l'étape de cuisson peut être réalisée par filtration ou par
centrifugation.
La fraction solide peut éventuellement être soumise à des traitements
supplémentaires avant
l'étape d'hydrolyse enzymatique. Ces traitements supplémentaires peuvent en
particulier
avoir pour objectif d'éliminer les traces de sels inorganiques hydratés et/ou
de sels
métalliques dans la fraction solide ayant subi l'étape de cuisson. Ces
traitements
supplémentaires peuvent être par exemple des lavages, réalisés avec l'anti-
solvant, avec de
l'eau ou avec tout autre flux du procédé.
Le liquide obtenu après lavage contient le fluide utilisé pour le traitement
supplémentaire et
les traces de sels inorganiques hydratés et/ou de sels métalliques. Ce liquide
peut
avantageusement être recyclé pour être utilisé lors de l'étape de séparation,
permettant ainsi
un meilleur taux de récupération des sels et une meilleure pureté de la
fraction solide tout en
limitant la consommation d'anti-solvant ou autre fluide de lavage.
La fraction solide peut optionnellement être séchée ou pressée pour augmenter
le
pourcentage de matière sèche contenu dans le solide.
L'anti-solvant utilisé est un solvant ou un mélange de solvant choisi parmi
l'eau, les alcools
tels que le méthanol, l'éthanol, le n-propanol, l'isopropanol, le n-butanol,
l'isobutanol ou le
tert-butanol, les diols et polyols tels que l'éthanediol, le propanediol ou le
glycérol, les amino
alcools tels que l'éthanolamine, la diéthanolamine ou la triéthanolamine, des
cétones telles
que l'acétone ou la méthyléthylcétone, les acides carboxyliques tels que
l'acide formique ou
l'acide acétique, les esters tels que l'acétate d'éthyle ou l'acétate
d'isopropyle, le
diméthylformamide, le diméthylacétamide, le diméthylsulfoxide, l'acétonitrile.
De préférence, l'anti-solvant est choisi parmi l'eau, le méthanol ou
l'éthanol.
De manière très préférée, l'anti-solvant est l'eau.
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Le sel inorganique hydraté et le sel métallique contenus dans la fraction
liquide peuvent être
séparés de l'anti-solvant et recyclés, par exemple pour être utilisés lors de
l'étape de
cuisson. Cette séparation peut être réalisée par tous procédés connus de
l'homme de l'art
comme par exemple l'évaporation, la précipitation, l'extraction, le passage
sur résine
échangeuse d'ion, l'électrodialyse, les méthodes chromatographiques, la
solidification du sel
inorganique hydraté et du sel métallique par abaissement de la température ou
l'addition
d'un tiers corps, l'osmose inverse.
La fraction liquide contenant le sel inorganique hydraté, en mélange avec le
sel métallique,
et l'anti-solvant peut également contenir des produits dérivés de la biomasse.
Par exemple,
la fraction liquide peut contenir de l'hémicellulose (ou des produits dérivés
de l'hémicellulose)
et de la lignine.
Les produits dérivés de la biomasse contenus dans la fraction liquide peuvent
être séparés
avant ou après la séparation du sel inorganique hydraté en mélange avec sel
métallique -
anti-solvant. Les produits dérivés de la biomasse peuvent par exemple être
extraits par
addition d'un solvant non miscible avec le sel inorganique hydraté en mélange
avec le sel
métallique ou avec le mélange du sel inorganique hydraté en mélange avec le
sel métallique
- anti-solvant. Les produits dérivés de la biomasse peuvent également être
précipités par
modification des conditions (température, pH, etc...) ou par addition d'un
tiers corps.
Le sel inorganique hydraté en mélange avec le sel métallique ainsi récupéré
peut être purifié
par chauffage à hautes températures, supérieures à 400 C, pour éliminer par
combustion les
produits organiques dérivés de la biomasse potentiellement encore présents.
La troisième étape c) du procédé selon l'invention est l'étape d'hydrolyse
enzymatique de la
fraction solide obtenue à l'étape b).
La fraction solide, encore appelé ci-dessous substrat prétraité est soumise à
une hydrolyse
enzymatique pour convertir les polysaccharides en monosaccharides dans les
conditions
habituelles normalement appliquées dans ces procédés de conversion.
Typiquement, le substrat prétraité est placé en milieu aqueux pour atteindre
des
concentrations en matière sèche comprise entre 0,5% et 40%, préférentiellement
entre 1%
et 20% poids.
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L'hydrolyse enzymatique s'effectue dans des conditions douces, à une
température de
l'ordre de 40 à 60 C, à un pH compris entre 4,5 et 5,5. Très
préférentiellement, le pH est
compris entre 4,8 et 5,2. Si une mise au pH est nécessaire, elle est réalisée
préalablement à
l'étape d'hydrolyse enzymatique, lorsque le substrat prétraité est placé en
milieu aqueux,
notamment par addition d'une solution tampon.
L'hydrolyse enzymatique est réalisée au moyen d'enzymes produites par un
microorganisme. Des microorganismes, comme les champignons appartenant aux
genres
Trichoderma, Aspergillus, Penicillum ou Schizophyllum, ou les bactéries
anaérobies
appartenant par exemple au genre Clostridium, produisent ces enzymes,
contenant
notamment les cellulases et les hémicellulases, adaptées à l'hydrolyse poussée
de la
cellulose et des hémicelluloses.
La durée de l'étape c) d'hydrolyse varie entre 1 h et 150h, préférentiellement
entre 2h et 72h,
préférentiellement entre 4h et 24h.
A l'issue de l'étape d'hydrolyse enzymatique, le glucose formé est soluble
dans l'eau alors
que la cellulose éventuellement non-convertie, la lignine ou d'autres produits
restent
insolubles. La solution aqueuse de glucose est récupérée par filtration.
Le monosaccharide ainsi obtenu est facilement transformé en alcool par
fermentation avec
des levures comme par exemple Saccharomyces cerevisiae. Le moût de
fermentation
obtenu est ensuite distillé pour séparer les vinasses et l'alcool produit.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'étape d'hydrolyse enzymatique
est réalisée
simultanément avec la fermentation.
EXEMPLES
Le substrat utilisé dans ces exemples est une paille de blé. L'analyse
compositionnelle
réalisée selon le protocole NREL TP-510-42618 indique que la composition du
substrat brut
est la suivante (en % de matière sèche): 37% cellulose, 28% hémicellulose et
20% lignine.
Dans les exemples ci-dessous, les compositions sont données en fractions
molaires.
Les exemples 1 à 5 sont conformes à l'invention. L'exemple 6 est donné à titre
comparatif
l'hydrolyse enzymatique étant effectuée sur une paille de blé native.
L'exemple 7 est un
exemple comparatif, le prétraitement réalisé consistant en une explosion à la
vapeur,
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actuellement connu comme étant une des meilleures technologies pour obtenir
des sucres
fermentescibles.
Exemple 1: Prétraitement de la paille de blé par LiCI.H20(98 %)/ZnC12.2,5
H20(2 %) à 140 C
et hydrolyse enzymatique
38 g de LiCI.H2O(98 %)/ZnCI2.2,5 H20(2 %) et 2 g de paille de blé (500-1000
Pm) sont
placés dans un ballon de 170 ml et agités mécaniquement par des pâles à 140 C
pendant
1 h dans un agitateur Tomado muni d'un carrousel 6 positions (Radleys).
Après ce prétraitement (étape a) du procédé selon l'invention), le chauffage
est arrêté et
80 ml d'eau distillée sont rapidement ajoutés au mélange : la paille
prétraitée précipite. La
suspension contenant le mélange de sels, l'eau et la biomasse est placée dans
un tube à
centrifugation et agitée à 9500 tr/min pendant 10 minutes. Le surnageant,
contenant le
mélange de sels est ensuite séparé du solide. L'opération est répétée trois
fois par addition
de 80 ml d'eau distillée sur la partie solide encore présente dans le tube à
centrifugation.
7,4 g de solide, avec une teneur en matière sèche de 19%, sont récupérés.
Le solide récupéré après précipitation et lavage est soumis à une hydrolyse
enzymatique. La
moitié du solide récupéré est placé dans un flacon Schott de 100 ml. On ajoute
5 ml de
tampon acétate, 10 ml d'une solution 1% poids de NaN3 dans de l'eau puis on
complète
jusqu'à 100 g avec de l'eau distillée. Cette solution est ensuite laissée une
nuit à 50 C pour
"activation" sous une agitation de 550 tr/min dans un bain marie à sec STEM.
On ajoute
ensuite à la solution des quantités connues d'enzyme:
-Cellulases XL508, 1 OFPU par gramme de matière sèche
- 3-glucosidases NOVOZYM 188, 25 CBU par gramme de matière sèche
La solution est ensuite agitée à 400 tr/min à 50 C, toujours dans les bains
marie à sec, et
des prélèvements sont effectués au bout de 1 h, 4 h, et 7 h. Ces prélèvements
sont placés
dans des tubes à centrifuger et rapidement placés 10 minutes dans une huile à
une
température de 103 C pour neutraliser l'activité enzymatique. Les tubes à
centrifuger sont
stockés dans un réfrigérateur à 4 C en attendant la mesure en glucose. Ils
sont ensuite
dilués par 5 avec de l'eau distillée avant d'être dosés à l'aide de
l'appareillage analyseur
Analox GL6, appelé glucostat, qui mesure par dosage enzymatique la
concentration en
glucose dans des solutions aqueuses.
Le résultat de l'hydrolyse enzymatique est présentée sur la figure 1. Il est
exprimé en
rendement glucose, défini comme le rapport de la concentration en glucose dans
la solution
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sur la concentration maximale théorique selon la teneur en cellulose du
substrat. Ce
rendement glucose représente donc le pourcentage de la cellulose effectivement
transformée en glucose.
Exemple 2: Prétraitement de la paille de blé par LiCI.2H20(10 %)/ZnC12.2,5
H20(90 %) à
80 C et hydrolyse enzymatique
Le protocole est identique à celui de l'exemple 1 hormis le fait que 38 g de
LiCI.2H20 (10 %)/
ZnCI2.2,5 H20(90 %) sont utilisés à la place de 38 g de LiCI.H20 (98 %)/
ZnC12.2,5 H20(2%)
et que le prétraitement est réalisé à 80 C. Le résultat de l'hydrolyse
enzymatique est
représenté sur la figure 2.
Exemple 3: Prétraitement de la paille de blé par NaCI.6H20(10 %)/ZnC12.2,5
H20(90 %) à
80 C et hydrolyse enzymatique
Le protocole est identique à celui de l'exemple 1 hormis le fait que 38 g de
NaCI.6H20(10 %)/ZnCI2.2,5 H20(90 %) sont utilisés à la place de 38 g de
LiCI.H20(98 %)/ZnC12.2,5 H20(2 %) et que le prétraitement est réalisé à 80 C.
Le résultat de
l'hydrolyse enzymatique est représenté sur la figure 3.
Exemple 4 : Prétraitement de la paille de blé par NaCI.6H20(10 %)/ZnC12.2,5
H20(90 %)
recyclé à 80 C et hydrolyse enzymatique
Les surnageants de centrifugation obtenues lors d'un prétraitement tel que
décrit à l'exemple
3 sont réunis et concentrés à l'évaporateur rotatif (T max = 120 C - P mim =
90 mbar) pour
conduire à 34.8 g de résidu contenant 32.2 g de ZnC12.2,3H20 et 1,9 g de
NaCI.1,8H20. La
stoechiométrie en eau par rapport aux sels est ajustée par un ajout de 2 g
d'eau.
Le mélange de sels recyclés ainsi obtenu et 2 g de paille de blé (500-1000 pm)
sont placés
dans un ballon de 170 ml et agités mécaniquement à 60 C pendant l h dans un
agitateur
Tornado muni d'un carrousel 6 positions (Radleys).
Après cette cuisson (étape a) du procédé selon l'invention), le chauffage est
arrêté et 80 ml
d'eau distillée sont rapidement ajoutés au mélange : la paille prétraitée
précipite. La
suspension contenant le sel inorganique, l'eau et la biomasse est placée dans
un tube à
centrifugation et centrifugée à 9500 tr/min pendant 10 minutes. Le surnageant,
contenant le
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sel inorganique est ensuite séparé du solide. L'opération est répétée deux
fois par addition
de 80 ml d'eau distillée sur la partie solide encore présente dans le tube à
centrifugation.
11.2 g de solide, avec une teneur en matière sèche de 13 %, sont récupérés.
Le solide récupéré après précipitation et lavage a été soumis à une hydrolyse
enzymatique.
La moitié du solide récupéré est placé dans un flacon Schott de 100 ml. On
ajoute 5 ml de
tampon acétate, 10 ml d'une solution 1% poids de NaN3 dans de l'eau puis on
complète
jusqu'à 100 g avec de l'eau distillée. Cette solution est ensuite laissée une
nuit à 50 C pour
"activation" sous une agitation de 550 tr/min dans un bain marie à sec STEM.
On ajoute
ensuite à la solution des quantités connues d'enzyme:
-Cellulases XL508, 1 OFPU par gramme de matière sèche
- (3-glucosidases NOVOZYM 188, 25 CBU par gramme de matière sèche
La solution est ensuite agitée à 400 tr/min à 50 C, toujours dans les bains
marie à sec, et
des prélèvements sont effectués au bout de 1 h, 4 h et 7 h. Ces prélèvements
sont placés
dans des tubes à centrifuger et rapidement placés 10 minutes dans une huile à
une
température de103 C pour neutraliser l'activité enzymatique. Les tubes à
centrifuger sont
stockés dans un réfrigérateur à 4 C en attendant la mesure en glucose. Ils
sont ensuite
dilués par 5 avec de l'eau distillée avant d'être dosés à l'aide de
l'appareillage analyseur
Analox GL6, appelé glucostat, qui mesure par dosage enzymatique la
concentration en
glucose dans des solutions aqueuses.
Le résultat de l'hydrolyse enzymatique est présentée sur la figure 4. Il est
exprimé en
rendement glucose, défini comme le rapport de la concentration en glucose dans
la solution
sur la concentration maximale théorique selon la teneur en cellulose de la
paille de blé
native. Ce rendement glucose représente donc le pourcentage de la cellulose
contenue dans
le substrat natif effectivement transformée en glucose après les étapes de
prétraitement et
d'hydrolyse enzymatique.
Exemple 5: Prétraitement de la paille de blé par LiCI.2H20(10 %)/FeC13.6
H20(90 %) à 60 C
et hydrolyse enzymatique
Le protocole est identique à celui de l'exemple 1 hormis le fait que 38 g de
LiCI.2H20(10
%)/FeCl3.6 H2O(90 %) sont utilisés à la place de 38 g de LiCI.H20(98
%)/ZnC12.2,5 H20(2 %)
et que le prétraitement est réalisé à 60 C. Le résultat de l'hydrolyse
enzymatique est
représenté sur la figure 5.
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Exemple 6: Prétraitement de la paille de blé par LiCI.2H20(20 %)/FeC13.6
H20(80 %) à 60 C
et hydrolyse enzymatique
Le protocole est identique à celui de l'exemple 1 hormis le fait que 38 g de
LiCl.6H20(20
%)/FeC13.6 H20(80 %) sont utilisés à la place de 38 g de LiCI.H20(98
%)/ZnCl2.2,5 H20(2 %)
et que le prétraitement est réalisé à 60 C. Le résultat de l'hydrolyse
enzymatique est
représenté sur la figure 6.
Exemple 7 (non conforme à l'invention): Hydrolyse enzymatique de la paille de
blé native
(sans prétraitement)
Le protocole utilisé pour l'hydrolyse enzymatique est identique à celui décrit
dans l'exemple
1. La paille de blé est utilisée native, sans aucun prétraitement.
Le résultat de l'hydrolyse enzymatique est représenté sur la figure 7.
Exemple 8 (non conforme à l'invention) : Hydrolyse enzymatique de la paille de
blé issue
d'un prétraitement par explosion à la vapeur.
Le protocole utilisé pour l'hydrolyse enzymatique est identique à celui décrit
dans l'exemple
1. La paille de blé utilisée a été prétraitée par explosion à la vapeur,
prétraitement dont les
trois étapes sont décrites ci-dessous.
1. Imprégnation de la paille de blé avec de l'acide sulfurique 0,1 N pendant 8
heures
minimum suivi d'un égouttage et d'un pressage (100 bar) de la paille pour
obtenir
un solide à environ 30% de matière sèche.
2. Prétraitement à 210 C (18 bar) de la paille pendant 2,5 minutes puis
décompression.
3. Traitement final par pressage à 100 bar.
Le résultat de l'hydrolyse enzymatique est représenté sur la figure 7.
A partir des différentes figures représentatives de chacun des exemples, il
apparaît que le
procédé selon la présente invention permet d'obtenir rapidement (au bout de 1
heure
d'hydrolyse enzymatique) des rendements glucose nettement supérieurs à ceux
obtenus
sans prétraitement, ou même après un prétraitement de type explosion à la
vapeur, puisque
dans ce cas, le rendement glucose à une heure n'est que d'environ 20%.
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De la même manière, les rendements glucose obtenus au bout de 7 heures
d'hydrolyse sont
améliorés par rapport à ceux de la technologie de référence (explosion à la
vapeur), lorsque
l'étape de cuisson est réalisée selon le procédé décrit dans la présente
invention.
D'excellents rendements (supérieurs à 80 % de rendement glucose) sont obtenus
à des
températures modérées (de l'ordre de 60 C).
