BRIAND, Alexandre (23 rue de la canetrie, Saint Cyr, Saint Cyr, F-86130, FR)
SOUM, Stéphane (11 rue du Sigon, Migne-auxances, Migne-auxances, F-86440, FR)
BATAILLE, Frédéric (7 chemin de Savigny, Sevres-anxaumont, F-86800, FR)
BRIAND, Alexandre (23 rue de la canetrie, Saint Cyr, Saint Cyr, F-86130, FR)
SOUM, Stéphane (11 rue du Sigon, Migne-auxances, Migne-auxances, F-86440, FR)
| REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention d'un produit fermentescible destiné à la production de metabolites par fermentation, caractérisé en ce qu' il comprend les étapes suivantes : a) détoxif ication d'une matière première lignocellulosique polluée comprenant au moins un composant polluant : extraction solide-liquide, pour extraire par solubilisation le ou les composant(s) polluant(s) de la matière première lignocellulosique à l'aide d'au moins un solvant, récupération de la matière première lignocellulosique dépolluée, b) prétraitement par défibrage de la matière première lignocellulosique dépolluée, c) hydrolyse enzymatique de la matière première lignocellulosique prétraitée en présence de cellulose, et obtention d'un produit fermentescible, d) éventuellement purification du produit fermentescible obtenu. 2. Procédé d'obtention d'un produit fermentescible selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'extraction solide-liquide est réalisée à une température comprise entre 50°C et le point d'ebullition du solvant ou entre 50°C et le point d'ebullition du mélange de solvants lorsqu'il y a plusieurs solvants. 3. Procédé d'obtention d'un produit fermentescible selon l'une des précédentes revendications, caractérisé en ce que le ou les solvants utilisé(s) pour l'étape d'extraction solide-liquide sont choisis parmi : l'eau, l'acétone, l'acétonitrile, I ethanol ou l'acétate d ethyle. 4. Procédé d'obtention d'un produit fermentescible selon l'une des précédentes revendications, caractérisé en ce que l'étape de purification est réalisée par adsorption sur résine échangeuse d'ions ou sur charbon actif. 5. Procédé d'obtention d'un produit fermentescible selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'étape de purification est réalisée à une température comprise entre 30 et 70°C. 6. Procédé d'obtention d'un produit fermentescible selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que l'étape a) de détoxif ication est précédée d'une étape de broyage de la matière première lignocellulosique. 7. Procédé d'obtention d'un produit fermentescible selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que la matière première lignocellulosique est choisie parmi : - les bois traités aux hydrocarbures aromatiques polycycliques, - les bois traités au sulfate de cuivre ou aux autres sels métalliques, - les bois et sciures imprégnés d'huile, de graisse, de vernis ou de peinture, - les bois traités pour clôtures, charpentes, volets, portails, ou pour palettes jetables, - les panneaux de particules, - les fibres cellulosiques préservées par le pentachlorophénol, comme les textiles militaires. 8. Procédé d'obtention d'un produit fermentescible selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que le déf ibrage de la matière cellulosique dépolluée, est réalisé dans une extrudeuse. 9. Procédé d'obtention d'un produit fermentescible selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que le déf ibrage de la matière cellulosique dépolluée, est réalisé dans une extrudeuse monovis ou bivis à une température comprise entre 60°C et 180°C et en présence d'une quantité d'eau représentant entre 50% et 450% de la masse de ladite matière première. 10. Procédé d'obtention d'un produit fermentescible selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que l'étape d'hydrolyse enzymatique est réalisée en présence de cellulose et de β- glucosidase. 11. Utilisation d'un produit fermentescible obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon l'une des précédentes revendications, pour produire des métabolites par fermentation. 12. Utilisation selon la revendication 11, caractérisée en ce que les métabolites sont choisis parmi l'éthanol, le butanol, l'acétone, le polyhydroxyalcanoate et le xanthane. 13. Procédé de production d'éthanol, caractérisé en ce qu'il comprend la succession des étapes suivantes : - mise en oeuvre du procédé selon l'une d'une des revendications 1 à 10, de façon à obtenir un produit fermentescible, - fermentation du produit obtenu, et - distillation/déshydratation du produit obtenu après fermentation. |
La présente invention se rapporte à un procédé d'obtention, à partir d'une biomasse lignocellulosique souillée, d'un produit destiné à la production de métabolites par fermentation.
L'invention concerne également l'utilisation du produit obtenu pour produire des métabolites par fermentation, notamment de l'éthanol, ainsi qu'un procédé particulier de fabrication d'éthanol.
La biomasse lignocellulosique est composée essentiellement de polysaccharides de cellulose et d'hémicelluloses, fortement liés à un réseau de lignine par liaison covalente et liaison hydrogène. Ces composés lignocellulosiques comprennent notamment le bois, les pailles, les végétaux issus de cultures dédiées, les coproduits de l 'agriculture, de la forêt ou de l'industrie de transformation du bois, les déchets végétaux collectés et les déchets industriels ou municipaux. On sait que les substrats lignocellulosiques peuvent être valorisés pour fabriquer différents produits dérivés. La biomasse est notamment utilisée pour la production alcoolique, en particulier pour la production d'éthanol ou bioéthanol, utilisable ensuite comme biocarburant ou écocarburant.
Actuellement, les procédés existants ne permettent d'utiliser que certaines matières premières lignocellulosiques.
Parmi ces premières matières premières, on peut citer notamment les céréales, comme du blé ou du maïs, ou les betteraves. Toutefois l'utilisation de ce type de ressources présente des inconvénients importants à la fois en terme de rendement et du fait qu'ils entrent en compétition directe avec les cultures alimentaires et les écosystèmes. En outre, la capacité de production des matières premières est limitée comparée aux quantités consommées très importantes de carburants par exemple.
D'autres ressources ont également été proposées, comme du bois par exemple, mais les procédés connus ne sont pas satisfaisants en terme de rendement et nécessitent l'utilisation de produits concentrés. En outre ces procédés nécessitent une étape de prétraitement chimique de la biomasse lignocellulosique pour hydrolyser les hémicelluloses et rendre accessible la cellulose, qui peuvent générer des inhibiteurs sucres dégradés, comme l'HydroxyMéthylFurfural.
Par ailleurs, il s'avère nécessaire d'utiliser de nouvelles matières premières. Il serait notamment particulièrement avantageux de pouvoir utiliser des biomasses lignocellulosiques usagées pour les recycler, en particulier des biomasses lignocellulosiques considérées comme des déchets dangereux, dont le stockage et l'élimination sont soumis au classement ICPE (Installations classées pour la Protection de l'Environnement). Ces substrats lignocellulosiques souillés ou traités, sont généralement des substrats imprégnés d'une ou plusieurs substance(s) dangereuse(s), par exemple de vernis, de colle, de créosote, de CCA (Cuivre, Chrome et Arsenic), de CCB (Cuivre, Chrome et Bore), d'agent ignifugeant, de fongicide ou d'insecticide, comme des poteaux en bois usagés, des traverses de chemin de fer, des bois et sciures traitées, etc.
Toutefois, aujourd'hui ces matières premières ne peuvent pas être utilisées, car en plus des inconvénients déjà mentionnés pour les procédés de traitement des matières premières lignocellulosiques classiques, si la biomasse utilisée est souillée ou traitée, des substances inhibitrices de la fermentation peuvent se retrouver dans le jus sucré, et empêcher son utilisation pour la production de métabolites par fermentation.
C'est pourquoi l'objectif de la présente invention est de pallier les différents inconvénients de l'art antérieur, en proposant un procédé efficace et économique permettant d'obtenir un produit fermentescible à partir d'une biomasse lignocellulosique souillée ou traitée.
A cet effet l'invention a pour objet un procédé d'obtention d'un produit fermentescible destiné à la production de métabolites par fermentation, caractérisé en ce qu' il comprend les étapes suivantes :
a) détoxif ication d'une matière première lignocellulosique polluée comprenant au moins un composant polluant :
extraction solide-liquide, pour extraire par solubilisation le ou les composant(s) polluant(s) de la matière première lignocellulosique à l'aide d'au moins un solvant,
récupération de la matière première lignocellulosique dépolluée, b) prétraitement par déf ibrage de la matière première lignocellulosique,
c) traitement par hydrolyse enzymatique de la matière première lignocellulosique prétraitée en présence de cellulose, et obtention d'un produit fermentescible,
d) éventuellement purification du produit fermentescible obtenu.
Un autre objet de l'invention concerne l'utilisation du produit fermentescible obtenu, pour la production de métabolites par fermentation, notamment pour la production d'éthanol, de butanol, d'acétone, de polyhydroxyalcanoate et de xanthane.
Enfin l'invention vise aussi un procédé particulier de production d'éthanol à partir du produit fermentescible obtenu.
L'invention est maintenant décrite en détail en regard de la figure 1 annexée sur laquelle est représenté un schéma d'un mode de réalisation particulier du procédé d'obtention d'un produit fermentescible à partir de biomasse lignocellulosique souillée. L'objet de l'invention est donc un procédé d'obtention, à partir d'une biomasse lignocellulosique polluée, d'un produit fermentescible susceptible d'être fermen é pour produire des métabolites.
Au sens de l'invention, par produit fermentescible, on entend le produit à base de sucres ou jus sucré obtenu après hydrolyse enzymatique de la matière lignocellulosique prétraitée, capables de produire des métabolites par fermentation.
De même, par matière première, biomasse ou substance lignocellulosique polluée, souillée ou traitée, au sens de l'invention on entend tout composé lignocellulosique contenant au moins une molécule qui ne se trouve pas dans ledit composé à l'état naturel. Cette molécule est appelée composant polluant dans la présente demande. Il s'agit généralement d'une molécule toxique ou dangereuse pour l'homme ou l'environnement.
La matière première lignocellulosique polluée utilisée pour la mise en oeuvre de l'invention peut être issue de déchets industriels, comme du coton textile, du papier, des produits en fin de vie (palettes, traverses de voies ferrées, etc.), des chutes ou sciures de bois ou des chutes de panneaux agglomérés. Préférentiellement, la matière première lignocellulosique utilisée est choisie parmi :
- le bois traité aux hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), c'est-à-dire créosoté (poteaux électriques et téléphoniques, traverses de chemin de fer),
- le bois traité au sulfate de cuivre ou aux sels métalliques (CCA et dans une moindre mesure CC ),
- le bois et les sciures imprégnés d'huile, de graisse, de peinture, ...
- le bois pour clôtures, pour construction (charpentes, volets, portails), pour palettes jetables traité pour augmenter sa durabilité (pentachlorophénol, créosote, dichlofluanide, propiconazole, isothiazolone, lindane),
- les panneaux de particules,
- les fibres cellulosiques préservées par le pentachlorophénol (textiles militaires).
Selon un premier aspect, le procédé d'obtention d'un produit fermentescible destiné à la production de métabolites par fermentation, selon l'invention comprend les étapes suivantes :
a) détoxif ication d'une matière première lignocellulosique polluée comprenant au moins un composant polluant,
b) prétraitement de la matière première lignocellulosique dépolluée, c) traitement par hydrolyse enzymatique de la matière première lignocellulosique prétraitée en présence de cellulose, et obtention d'un produit fermentescible, et
d) éventuellement purification du produit fermentescible obtenu.
L'étape a) a pour objectif de dépolluer la matière première lignocellulosique du ou des composant(s) polluant(s), qu'elle contient.
Cette première étape comprend les sous étapes suivantes :
extraction solide-liquide, pour extraire par solubilisation le ou les composant(s) polluant(s) de la matière première lignocellulosique broyée ou non, à l'aide d'au moins un solvant, et
récupération de la matière première lignocellulosique dépolluée.
L'extraction solide-liquide est une technique bien connue de l'homme du métier.
Dans le cas présent cette extraction consiste à extraire un ou plusieurs composant(s) soluble(s) contenu(s) dans la matière première lignocellulosique à l'aide d'un ou plusieurs solvant(s) avec le ou lesquel(s) le ou les composant(s) présent(ent) une affinité. Le solvant ou les solvants utilisé(s) pour cette étape peuvent être choisis notamment parmi : l'eau, l'acétone, l'acétonitrile, l'éthanol ou l'acétate d'éthyle. Le choix du solvant dépend des composants à éliminer. On choisira par exemple l'éthanol pour extraire des hydrocarbures aromatiques polycycliques.
Très préférentiellement l'étape d'extraction solide-liquide est réalisée à une température comprise entre 50°C et le point d'ébullition du solvant ou entre 50°C et le point d'ébullition du mélange de solvants lorsqu'il y a plusieurs solvants.
L'extraction solide-liquide est soit discontinue (par exemple macération à chaud), soit continue (par exemple Soxhlet, percolation).
A la fin de cette étape, on récupère une phase liquide qui contient le solvant ou les solvant(s) et le ou les composant(s) polluant(s) dissous, et une phase solide qui correspond à la matière lignocellulosique de départ dépolluée, c'est-à-dire ne contenant plus le ou lesdits composant(s) ou en quantité suffisamment faible pour être compatible avec les étapes ultérieures, en particulier pour être compatible avec une fermentation.
Cette étape de détoxif ication permet de dépolluer en majorité, voire totalement la matière première lignocellulosique.
L'étape b) de prétraitement a pour objectif de rendre accessible la cellulose pour faciliter son hydrolyse enzymatique. Cette étape consiste à réaliser un déf ibrage de la matière première lignocellulosique par tout procédé adapté.
Ce défibrage permet de séparer les fibres et d'augmenter la digestibilité de la cellulose.
Préférentiellement la matière première lignocellulosique dépolluée est défibrée dans une extrudeuse, à une température comprise entre 60°C et 180°C et en présence d'une quantité d'eau représentant entre 50% et 450% de la masse de ladite matière première. L'extrudeuse peut être une extrudeuse bivis ou monovis. Le déf ibrage peut être réalisé en présence d'un acide fort ou d'une base forte à une concentration comprise entre 0,5% et 4% par rapport au volume d'eau.
Avantageusement, le prétraitement de la matière première par défibrage dans une extrudeuse permet d'augmenter le rendement de l'hydrolyse enzymatique de la cellulose. Il permet également de réduire la quantité d'enzyme utilisée lors de l'étape c).
Selon un mode de réalisation particulièrement adapté, l'étape a) de détoxif ication est précédée d'une étape préliminaire de broyage de la matière première lignocellulosique polluée qui permet de rendre encore plus accessible la cellulose en vue de son hydrolyse. Cette étape de broyage peut être réalisée par exemple à l'aide d'un broyeur à couteaux.
L'étape c) consiste à hydrolyser la cellulose à l'aide d'enzymes pour obtenir une solution riche en glucose.
L'hydrolyse peut être réalisée à l'aide d'une cellulose ou d'un cocktail enzymatique composé de cellulose et de β-glucosidase.
Préférentiellement, l'hydrolyse est réalisée dans une cuve maintenue à une température comprise entre 50°C et 60°C, à un pH compris entre 4 et 5,5 pendant au moins 24 heures. Le ratio d'enzymes par gramme de cellulose est compris entre 0,05 et 2,5.
On obtient alors un produit fermentescible ou jus sucré riche en glucose.
Si ce produit obtenu contient encore un ou plusieurs composants polluants résiduels que l'on souhaite éliminer, une étape d) de purification doit toutefois être mise en oeuvre avant de pouvoir disposer d'un produit fermentescible utilisable.
Cette deuxième étape de détoxif ication, étape de détoxif ication ultime, est préférentiellement réalisée par adsorption sur résine échangeuse d'ions ou sur charbon actif. Cette adsorption peut être réalisée en batch ou sur colonne, avec ou sans pression, préférentiellement à température ambiante et encore plus préférentiellement en chauffant entre 30°C et 70°C, particulièrement entre 40°C et 60°C.
Le produit obtenu, exempt de polluant est fermentescible en différents métabolites.
Selon un deuxième aspect, l'invention vise donc l'utilisation d'un produit fermentescible obtenu pour produire des métabolites par fermentation.
Par métabolites au sens de l'invention on entend les produits issus de la transformation du jus sucré par un microorganisme.
Il peut s'agir notamment d'un métabolite choisi parmi l'ethanol, le butanol, l'acétone, le polyhydroxyalcanoate et le xanthane.
Ces métabolites peuvent être obtenus par la mise en œuvre de procédés de fermentation connus de l'homme du métier.
A titre d'exemple l'invention propose un procédé particulier permettant d'obtenir de l'éthanol à partir du produit fermentescible. Cet exemple particulier de procédé selon l'invention est illustré sur la figure 1.
Le procédé de production d'éthanol peut comprendre la succession des étapes suivantes :
- mise en œuvre du procédé permettant d'obtenir le produit fermentescible selon l'invention,
- fermentation du produit obtenu, et
- distillation/déshydratation du produit obtenu après fermentation.
Selon une variante, le procédé comporte également un étape de f iltration(s) avant l'étape de fermentation. Cette étape peut comprendre les sous étapes suivantes :
- f iltration pour la cla rance du milieu,
- ultraf iltration,
- osmose inverse,
- purification, et/ou - f iltration stérile.
Après l'hydrolyse enzymatique, éventuellement suivie de l'étape de purification, le milieu réactionnel est composé d'un jus sucré, de celluloses, de composés non cellulosiques et de cellulose non dégradée.
Une étape de centrifugation, de décantation ou de préf iltration préalable à la f iltration permet d'éliminer les composés non cellulosiques et la cellulose non dégradée.
L'ultraf iltration a pour objectif de recycler et réutiliser les enzymes utilisées pour l'hydrolyse.
Cette étape d'ultraf iltration tangentielle permet de diminuer considérablement les coûts de production de l'éthanol, car le coût des enzymes utilisées pour l'hydrolyse de la cellulose est très important.
L'étape d'ultraf iltration peut être réalisée sur une membrane qui permet de concentrer et de récupérer les enzymes d'une part (le concentrât) et le jus sucré d'autre part (le perméat).
L'osmose inverse concentre le perméat sans évaporation. Cette étape permet une économie d'énergie par rapport à une étape classique d'évaporation.
La décoloration permet de retenir les colorants du coton textile dans une résine.
Elle peut s'effectuer sur colonne à l'aide d'une résine ayant une affinité avec les cycles aromatiques, de façon à ce que les colorants du coton textile reste dans la colonne par affinité.
La f iltration stérile évite toute contamination dans le fermenteur et assure un rendement optimal de la fermentation.
L'étape de fermentation a pour objectif de fermenter en éthanol le glucose contenu dans le jus sucré filtré, par voie de glycolyse grâce à une levure.
La fermentation peut être réalisée dans un fermenteur entre 30°C et 37°C, entre 7h et 24h, à pH compris entre 3,8 et 5,0. Classiquement, les levures utilisées peuvent être des Saccharomyces cerevisiae. Le rendement de la fermentation atteint 0,4g d ethanol par gramme de glucose. Les levures utilisées pour la fermentation peuvent être recyclées par microf iltration pour être réutilisées.
L'étape de fermentation est généralement suivie par une étape de distillation/déshydratation sur une membrane qui permet d'obtenir un éthanol à 99,9% qui peut être utilisé ensuite comme biocarburant ou agrocarburant.
L'invention n'est bien entendu pas limitée à cet exemple particulier, et permet de produire à partir d'une matière première lignocellulosique souillée, tout métabolite susceptible d'être obtenu par fermentation.