Brevet FR2340690A1 — publié le 19770909

Les ruminants, tels que les bovins et les ovins, ont la faculté d'assimiler la cellulose et les sous-produits cel lulosiques des végétaux, facultés que n'ont pas les autres pourvue d'un seul estomac, tels que l'homme. Ainsi, les ruminants sont capables de digérer une matière organique végétale et d'en faire leur nourriture, alors que cette matière est sans intérêt nutritif ou presque, pour d'autres types d'animaux. Toutefois, il existe certaines matières organiques végétales qui ont un degré relativement faible de digestibilité, même pour des ruminants.Ce sont des matières telles que les rafles de mais broyées, les enveloppes -des grains-de riz, la bagasse, la paille de blé, d'avoine ou de riz et le tronc, les branches, les rameaux et les feuilles de plantes ligneuses telles qu'arbres et arbustes. Ainsi, un très grand pourcentage de la matière organique végétale qui se trouve à la surface de la terre n1 est pas disponible pour l'alimentation du bétail, par exemple des bovins et des ovina, à cause de sa faible digestibilité. La raison pour laquelle cette matière végétale n'est- pas digestible semble être en relation avec la quantité èt la distribution de la lignine contenue dans ces types de matière végétale.La lignine est une matière polymère amorphe qui donne sa rigidité à,-la cellulose pour former les parois cellulaires ligneuses de la matière végétale et censtitue le ciment entre les cellules. Dans une matière végétale dont la liaison lignine cellulose est tenace, la cellulose ne peut pas être attaquée par les micro-organisies qui vivent dans les estoflcs des ruminants et, en conséquence; la digestibilité de la matière est réduite à un niveau tel quelle n'entretient pas la vie et la croissance des r\ninant8 Le but principal de la présente invention est d'offrir un procédé de traitement d'une matière organique végétale pouraccroître sa digestibilité par les ruminants Liinvention a plus particulièrement trait à un procédé de traitement d'une matière organique végétale telle que rafles de maïs, enveloppes de grains de riz, bagasse, paille de blé, d'avoine et de riz, ainsi que troncs, branches, rameaux et feuilles arbres et d'arbustes et toute autre matière végétale organique similaire pour en accro@@re la digestibilité par les ruminants qu'à un niveau pour lequel cette matière; après avoir été trai tée par le procédé, peut constituer la nourriture des ruminants. Un autre de la présente invention réside dans un procédé de traitement d'une matière organique végétale en vue ,A as rompre au moins une portion des liaisons lignine-cellulose de ladite matière et de transformer au moins une partie des molécules de cellulose en saccharides et en acides saccharidiques afin d'accroître la digestibilité de la matière végétale chez les ruminants. 1)'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, faite en regard du dessin annexé qui illustre schématiquement l'appareillage que l'on peut utiliser dans la mise en oeuvre du procédé de la présente invention, en faisant apparattre le chemin suivi par la matière organique dans ledit appareillage. Comme indiqué ci-dessus, l'invention concerne un procé dé de transfornation d'une matière organique qui ne peut pas être utilisée', dans l'état actuel de la technique, pour des animaux domestiques élevés en vue de la production,de viandez de lait, de peaux, etc., en une nourriture assimilable par ces animaux. Certaines plantes sont cultivées pour la production d'une nourri- ture destinée aux animaux ; toutefois, une grande quantité de la matière organique produite n'est pas suffisamment digestible pour offrir un intérêt en tant que nourriture. Par exemple, le maïs est peut-être la plante fourragère la plus cultivée aux Etats-Unis d'Amérique. le ais est encore, actuellement, l'un des principaux produits de l'agriculture. Toutefois, seule une petite portion du plant entier, de mais qui est produit est suffisamment digesti- ble pour offrir un intérêt.Le 8rain du maYs peut être digéré aussi bien par 11 homme que par le. ruminants et, dans une faible mesure, les feuilles et les tiges de maïs sont légèrement digesti- bles pour les ruminants, Mais non digestibles pour les autres animaux. Cependant, l'indice de digestibilité, meame dans ces por tions du plant de maïs, est Si faible que les portions en question offrent peu d'intér8t pour l'alimentation des animaux domestiques. lies rafles de mais sont sensiblement non digestibles pour les ruminants et ont une faible valeur nutritive. Par conséquent, de tout le maTs qui est produit, seuls les grains sont exploités. Il en est de même de la production du blé, du riz et de l'avoine. Seuls les grains sont utilisés pour l'alimentation des animaux. Bien que les ruminants puissent tirer une certaine valeur nutritive de la paille du blé, de l'avoine et du riz, le niveau de cette valeur est si faible que l'on ne tire de cette paille qu'un gain minime lorsqu'on l'utilise comme nourriture pour les animaux, et elle sert principalement de charge. Une grande partie des végétaux couvrant une large portion de la terre consiste en végétaux ligneux comprenant des arbres et des arbustes.Tandis que les arbres de certaines espèces et dlune certaine tailJe constituent une source de bois d'oeuvre, la plupart des plantes ligneuses n'atteignent pas la taille ni les caractéristiques qui en permettent llexploitation forestière, et par conséquent, elles ont peu d'intérêt. Si l'on excepte l'utilisation pour la pâte à papier des arbres qui ne produisent pas de bois d'oeuvre, beaucoup des arbres et arbustes d'une nation telle que les Stats-Unis d'Amérique offrent peu dtintére-t. Il en est ainsi notamment de la flore arbustivejformée de diverses espèces de chênes,qui peuple une grande partie des Etats-Unis d'Amérique. Bien que la chimie de la substance qui constitue les portions non digestibles ou peu digestibles de la matière organique végétale soit assez complexe, il semblerait au fond que la raison pour laquelle un aussi fort pourcentage de la matière végétale n'est pas disponible comme source de nourriture pour les ruminants, réside dans le fait que la proportion de la lignine que renferme cette matière végétale est assez forte pour fixer la cellulose d'une manière qui en empêche l'-assimilation par des micro-organismes contenus dans l'estomac des ruminants. La présente invention est axée sur une rupture suffisante de la liaison existant entre la lignine et la cellulose pour libérer ainsi les 9el- lules cellulosiques en vue de leur assimilation par les ruminants, et aussi pour accrottre la digestibilité des cellules cellulosiques par transformation d'au moins une portion de ces cellules en sac charides et en acides saccharidiques très assimilables pour des animaux domestiques. Comme indiqué ci-dessus, le dessin annexé représente schématiquement liappareillage que lion peut utiliser à titre d'exemple pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Une matière organique sous l'une quelconque des formes non digestibles ou faiblement digestibles indiquées ci-déssus constitue la matière première, destinée à la production de nourriture, qui est chargée dans un mélangeur 10. Si les matières premières organiques végétales sont de nature grossière, ce qui peut s'appli qer à la plupart des matières premières utilisées dans le procédé, elles doivent tout d'abord être subdiviséeien particules de diamètre maximal égal à environ 6 mm. Ainsi, dans la plupart des cas, la matière est tout d'abord chargée dans un hachoir 12 qui peut tout aussi bien être appelé découpeur ou broyeur, dans lequel elle est réduite en particules.D'une façon générale, le diamètre des particules est d'autant plus avantageux qu'il est plus petit, mais le choix du diamètre est simplement axé sur l'économie, parce qu'il coûte évidemment plus cher de broyer du bois, de la paille, etc., en très fines particules. Le type de hachoir 12 dépend de la nature de la matière organique, c'est-à-dire que si la matière première est de la paille, le hachoir doit être d'un certain type, tandis que s'il s'agit de bois, par exemple de troncs de chênes ou d'ormes, il doit être d'un type entièrement différent, mais le produit déchargé du hachoir 12 dans le mélangeur 10 doit essentiellement être le même, c'est-à-dire de petites particules de matière organique. Dans le mélangeur 10, les particules organiques sont agitées avec un liquide de base préparé dans le mélangeur 14. lie liquide de base est formé d'eau, d'un catalyseur métallique et d'un catalyseur acide. Les catalyseurs sont mélangés avec 11 eau et le mélange obtenu est déchargé du mélangeur 14 dans le mélangeur 10 dans lequel il est agité correctement avec les particules organiques. Les deux catalyseurs ont pour rôle d'accroître la vitesse de réaction et sont essentiels pour le procédé. lie catalyseur métallique est sous la forme de fer ou de manganèsesou de drivés de l'un ou l'autre de ces deux métaux. Bien que l'un et autre aient donné des résultats satisfaisants, le catalyseur métallique que l'on préfère est le fer, pour des raisons d'ordre économique.En outre, le fer a une valeur nutritive et la plupart de ses drivés sont dépourvus de toxicité. Les catalyseurs métalliques peuvent être utilisés sous la forme de limaille de fer et de manganèse, ou sous la forme du mélange des métaux en particules, mais le catalyseur métallique est de préférence formé de quelque autre dérivé tel que le chlorure ferrique, le sulfate ferrique, le nitrate ferrique, et l'un quelconque des sels non toxiques du fer ou du manganèse. ta quantité de catalyseur métallique que l'on utilise dépend du catalyseur particulier que l'on choisit, mais la pratique a montré qu'une quantité de catalyseur métallique d'environ 0,4 % en poids sur la base du poids sec des particules organiques végétales est suffisante. lie catalyseur acide peut être tout acide non toxique que Iton peut utiliser pour ajustér à une valeur égale ou inférieure à 3 le pli du mélange sortant du mélangeur 10. Bien que l'acide utilisé pour ajuster le pH désiré puisse être choisi entre de nombreux types d'acide, les acides qui ont damné des résultats satisfaisants comprennent les acides phosphorique, acétique,carboni- que, chlorhydrique,sulfurique et sulfureux.La seule limitation est que placide ne doit pas être toxique envers les ruminants et ne doit pas produire de réaction toxique avec les particules organiques et le catalyseur métallique. lies autres critères du choix de l'acide désiré sont tordre économique. L'acide choisi dépend de la source disponible dans la région dans laquelle le procédé est mis en oeuvre et bien que d'autres acides puissent être utili sésj les acides chlorhydrique et sulfurique se sont montrés les meilleurs du point de vue du prix de revient et ne sont pas toxiques dans le produit final, en raison des quantités requises. Le liquide mélangé sortant du mélangeur 14 est déchargé dans le mélangeur 10 dans lequel les particules organiques sont correctement agitées et mouillées. Le mélange est déchargé du mélangeur 10 dans un bac 16. A la sortie du mélangeur 10, le mélange contient environ 40 % en poids de matières sèches et environ 60 % en poids de solution. Toutefois, ce pourcentage peut varier selon le type de la matière organique. lie mélange peut être maintenu dans le bac 16, sans faire agir la pression ni la chaleur, pendant une période variable qui dépend des caractéristiques des particules organiques formant la matière première, de la température ambiante et des autres paramètres du procédé. Par exemple, la matière est maintenue dans le bac pendant une période de 2 à 3 heures à la pression et à la température ambiantes pour permettre la saturation totale des particules organiques avec la solution. Te mélange est déchargé du bac 16 par une vanne 18 dans un dispositif d''oxydation 20. Ce dispositif est représenté en deux parties 20A et 20B ; toutefois, l'oxydation peut être conduite dans un dispositif unique ou dans plusieurs dispositifs, comme représenté. Il y a lieu de remarquer que le procédé de 11 invention peut être mis en oeuvre en discontinu ou en continu. lie procédé illustré sur le dessin annexé est un procédé continu dans lequel la matière première peut être traitée d'un bout à l'autre jusqu'à sa décharge dans le silo ; toutefois, il y a lieu de remarquer que le procédé peut être mis en oeuvre selon une sé quence discontinue, en ce qui concerne chaque étape. Dans le dispositif d'oxydation 20, le mélange est soumis à une élévation de pression et de température en présence oxygène. Ta température préférée'du mélange dans l'opération d'oxydation va d'environ 105 à 1100C, bien que des températures un peu plus basses et un peu plus hautes que cette plage puissent suffire, en jouant sur les autres paramètres. Dans étape d'oxydation, la pression est avantageusement égale à environ 10,5 bars, de manière à créer une pression manométrique partielle d'oxygène de 1,4 à 2,1 bars, bien que cette pression puisse aussi varier en fonction des autres paramètres et du temps imparti à la réaction d'oxydation. En maintenant le mélange à une température d'environ 105 à 1100C et à une pression d'environ 10,5 bars, on constate que l'opération d'oxydation peut etre menée à bien en une période d'environ 12 à 20 minutes. Dans un procédé discontinu, cela constituerait la période pendant laquelle le lot serait soumis à ces paramètres avant que liopération soit terminée et que la matière passe à l'opératidn suivante. Dans le procédé continu illustré; cela signifie que chaque particule organique est exposée au cours de ltoxydation à ces pressions et ces températures pendant une période de cet ordre de grandeur, c'est-à-dire de 12 à 20 minutes. Dans 11 étape d'oxydation, la température de la matière peut être élevée de diverses façons. On peut utiliser la vapeur d'eau fournie par une chaudière 22. De l'eau est chargée dans la chaudière par une pompe d'alimentation 24, le carburant venant d'une source 26. lia quantité de vapeur d'eau émise dans le dispositif d'oxydation 20 est la quantité suffisante pour obtenir et maintenir la température désirée.Evidemment, on pourrait utiliser des éléments chauffés électriquement, disposés à l'intérieur du dispositif oxydant, ou un échangeur de chaleur installé dans ce meme dispositif, ou bien ce dernier pourrait être chauffé par l'extérieur. Tout agencement permettant d'obtenir la température désirée du mélange dans 11 étape d'oxydation entre dans le cadre de la présente invention. L'oxydation du mélange peut être effectuée par addition d'oxygène sous la forme d'air, d'oxygène gazeux ou de peroxyde d'hydrogène H202. La quantité d'oxygène qui réagit avec le mélange dans l'étape d'oxydation est égale à environ 3,75-5 % en poids par rapport au poids sec de la matière organique végétale. Liétape d'oxydation a pour but principal de rompre au moins une partie des liaisons lignine-cellulose de la matière organique végétale et a pour but secondaire de fragmenter au moins une portion des molécules de cellulose. Par rupture de la liaison lignine-cellulose, les molécules de cellulose sont soumises à une action chimique subséquente. Bien que le processus exact ne soit pas entièrement élucidé, il apparat que le catalyseur métallique contribue à la rupture de la "liaison bêta" et des noyaux glucosiques de la channe de cellulose. Un changement d'état physique s'observe visuellement dans le mélangeur. La solution affaiblit alors les liaisons chimiques entre les groupes glucosiques de la celiulose. On présume que le catalyseur attaque les liaisons principalement à la jonction des groupes.Par addition d'oxygène et d'un catalyseur métallique tel que FeCl2pour produire de lthypochlorite de fer', on suppose que l'ion fer rompt la liaison lignine-cellulose, mais comme on l'a indiqué.ci-dessus, le processus exact de cette opération n'est pas entièrement élucidé. La réaction de l'oxygène avec la cellulose en présence de l'acide et des catalyseurs métalliques est exotermique. L'oxygène introduit dans le dispbsitif d'oxydation complète l'oxydation. Il peut être fourni par exemple par un compresseur à air 28. lie mélange oxydé est déchargé du dispositif d'oxydation par une vanne 30 et est introduit par une autre vanne 32 dans un dispositif d'hydrolyse, désigné dans son ensemble par 34. La fonction des vannes 18, 30 et 32 est de livrer le passage au mélange en cours de traitement tout en isolant les,diverses portions du circuit des pressions et températures des autres portions. Entre les vannes 30 et 32, du gaz peut être évacué à l'atmosphère,par exemple au moyen d'un détendeur 36. lie gaz évacué consiste principalement en azote lorsque de l'oxygène est injecté sous la forme d'air dans le dispositif d'oxydation, l'azote ne participant pas à la réaction et s'accumulant donc en tant que gaz en excès.En exploitant l'espace disponible entre les vannes 30 et 32, on peut réduire la pression du mélange à la pression atmosphérique de manière à éliminer le maximum de gaz en excès. lie dispositif d'hydrolyse 34 a été représenté en deux portions 34A et 34B, bien que cette représentation, comme dans le cas du dispositif d'oxydation, n'ait été choisie que pour démontrer le fait que l'hydrolyse peut être effectuée soit dans un appareil unique, soit dans de nombreux dispositifs, et peut être conduite en discontinu ou, comme on l'a représenté, en continu. Dans le dispositif d'hydrolyse, le mélange oxydé est soumis à l'action de vapeur d'eau venant de la chaudière 22. L'hydrolyse est effectuée en soumettant le mélange oxydé à une pression et une température élevées, tout en le saturant de vapeur d'eau. La pression manométrique d'hydrolyse se situe avantageusement entre environ 9,5 et 10,5 bars et la température de-la réaction est avantageusement égale à environ 1800C.A cette pression et à cette température, la réaction doit durer environ 3 à 7 minutes. Evidemment, à des rets ions et des températures plus basses, la durée de réaction est proportionnellement plus longue et sa longueur varie en fonction d'autres paramètres tels que les caractéristiques des particules organiques, le type et la concentration des catalyseurs, etc. lit étape ithydrolyse transforme au moins une partie des molécules de cellulose en saccharides et en acides saccharldiques. La transformation des molécules de cellulose dans étape d'hydrolyse porte sur les molécules de cellulose qui se sont montrées disponibles dans la matière organique en cours de traitement ain Si que sur celles qui ont été libérées de la liaison ligninecellulose pendant étape d'oxydation. Par conséquent, l'oxyda- tio s'ajoute à lthydrolyse pour accroître sensiblement la saccharification obtenue dans ltétape dthydrolyse. lia masse déchargée du dispositif d'hydrolyse 34 passe par une vanne isolante 38 et arrive dans un dispositif 40 de neutralisation dans lequel le pH du mélange est élevé à environ 5,5. Cette neutralisation des catalyseurs acides peut être effectuée de diverses façons ; toutefois, le procédé le plus avanta gueux consiste à utiliser l'ammoniac. Dans le cas d-tune matière organique du type naturellement riche en acide organique, par exem ple les troncs, les branches et les feuilles de chêne, une neu trålisation supplémentaire peut surimposer ; on utilise alors de la chaux, de la chaux sodée ou de la soude caustique pour remplacer l'ammoniac, ou conjointement avec lui. La matière déchargée en 42 est une pâte très liquide qui peut, malgré cela, être utilisée comme nourriture ; lorsque la nourriture doit être consommée au point de production ou près de ce point, elle lrest directement, sans autre traitement. Toutefois, en raison de la forte teneur en eau, le transport serait coûteux et ltentreposage avec une aussi forte teneur en eau entraînerait une detérioration. Lorsque le produit doit être transporté ou emmagasine, une autre étape est prévue pour le charger dans un appareil de séchage 44. Du gaz et de l'air sont injectés par une soufflante 46 dans un brûleur 48 qui envoie de l'air chaud dans la boîte à vent 50 du séchoir 44. La matière est séchée au degré désiré pour les opérations subséquentes dSemballa- ge et de transport et pour ltentreposage. La matière séchée est déchargée dans un silo 52. Elle peut être emballée, ensachée ou transportée en vrac Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu' titre explicatif, mais nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement de particules d'une matière végétale cellulosique pour en accroître la digestibilité par des ruminants, caractérisé par le fait qu'il consiste (a) à mélanger lesdites particules avec (1) de l'eau, (2) un catalyseur acide choisi entre les acides carbonique, sulfurique, phosphorique, chlorhydrique et acétique pour ajuster le pH à une valeur inférieure à 3 et (3) un catalyseur métallique choisi entre le fer élémentaire, le chlorure ferrique, le sulfate ferrique, le nitrure ferrique, le manganèse élémentaire et des sels non toxiques de manganèse, (b) à soumettre le mélange résultant à une pression manométrique partielle d'oxygène de 1,4 à 2,1 bars à une température élevée denviron 105 a environ 1100C pendant une période de 12 à 20 minutes pour effectuer une réaction exothermique de l'oxygène avec la cellulose contenue dans lesdites particules, de manière qu'au moins une partie. des liaisons lignine-cellulose desdites particules soient rompues et qutau moins une partie des molécules de cellulose soient fragmentées ; puis (e) à expulser les gaz résultant de l'oxydation et (d) à hydrolyser le mélange oxydé résultant en présence du catalyseur métallique acide ajouté dans 11 étape (a) à une température environ 135 à 150 C et sous pression élevée, en présence de vapeur d'eau à saturation, pour transformer au moins une partie de la cellulose en saccharides et en acides saccharidiques. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par lé fait que dans l'étape. (a), la quantité de catalyseur métallique est environ 0,4 % en poids sec par rapport au poids, sur base sèche, des particules organiques végétales. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que dans l'étape (a), le mélange contient environ 40 % en poids de matières sèches pour environ 60 % en poids de solution. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que dans l'étape (b), la quantité d'oxygène qui réagit est égale à environ 3,75-5 % en poids par rapport au poids, sur base sèche, de la matière organique végétale. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que dans l'étape (b), la température désirée de réaction est atteinte par injection de vapeur d'eau dans le mélange réactionnel. 6. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que dans l'étape (c), la température de la réaction est d'environ 180 C. 7. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte une étape (d) dans laquelle le mélange hydrolysé est neutralisé suffisamment pour élever son pH à plus de 4. 8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il implique une étape (e) dans laquelle le mélange neutralisé est séché.