Brevet FR2466504A1 — publié le 19810410

Procédé pour produire de l'éthanol par fermentation continue de matières premières polysaccharidiques. La présente invention concerne un procédé pour produire de l'éthanol par fermentation continue de matières premières polysaccharidiques. Plus particu- lièrement, l'invention vise à améliorer les procédés de production de l'éthanol par fermentation continue de matières premières polysaccharidiques, dans les- quels la fermentation est effectuée dans un ou plu- sieurs fermenteurs, on sépare un courant de liqueur de fermentation en un courant concentré de levure, un courant dépourvu de levure et éventuellement un cou- rant de boue, on recycle le courant concentré de le- vure au fermenteur, et on introduit au moins une par- tie du courant dépourvu de levure dans une unité d'évaporation simple, correspondant à un ou à quelques -15 étages de distillation, o on le sépare pour partie en un premier courant de vapeur enrichi en éthanol dont on alimente une installation de production de l'étha- nol de qualité désirée et pour partie en un premier courant liquide résiduel que l'on recycle au moins en partie dans le fermenteur. La demande de brevet SE n0 7.901.738-0 décrit un tel procédé dans lequel le courant de matière première dont on alimente le fermenteur est constitué d'hydra- tes de.carbone directement fermentables, c'est-à-dire saccharifiés. Au cours d'une fermentation classique disconti- nue, il est connu d'ajouter, après ébullition (gélati- nisation), des matières premières amylacées, du malt ou des enzymes pour effectuer une saccharification dans le fermenteur. Mais en pratique, cette façon de procéder ne convient que lorsqu'on dispose de beaucoup de temps pour effectuer l'opération. La saccharifica- tion et la fermentation nécessitent environ le même temps, c'est-à-dire 40 à 50 heures. Pour réduire for- tement cette durée, il faudrait ajouter des quantités importantes et donc inéconomiques d'enzymes et de le- vure à la température de fermentation. Les enzymes saccharifiantes sont solubles et il n'est pas possible en pratique de les récupérer de façon économique. De plus, il faut effectuer les réactions enzymatiques à des températures supérieures à celles de la fermenta- tion pour réduire fortement la durée de saccharifica- tion. Dans les procédés utilisés à ce jour pour effec- tuer une fermentation continue rapide, il faut réali- ser la saccharification séparément dans des conditions optimales. Cette façon de procéder a pour inconvénients de nécessiter un coût d'investissement élevé, de con- sommer beaucoup d'énergie et surtout de comporter une inhibition de la saccharification, c'est-à-dire de l'hydrolyse enzymatique par les monosaccharides formés. De plus, si la concentration en glucose est élevée, pour des durées de réaction prolongées, il se reforme des disaccharides et des trisaccharides à partir du glucose. L'invention vise à améliorer le procédé précité et notamment à supprimer ces inconvénients. Selon l'invention, dans le procédé de production d'éthanol par fermentation continue de matières premières poly- saccharidiques précédemment décrit, on introduit un courant de matière première dans un circuit de circu- lation constitué du fermenteur et de l'unité d'éva- poration simple. On sépare avantageusement un courant de liqueur de fermentation provenant du fermenteur en un courant concentré de levure, un courant dépourvu de levure et éventuellement un courant de boue au moyen d'un sépa- rateur centrifuge. Selon un mode de réalisation satisfaisant du nouveau procédé, on gélatinise (liquéfie) tout d'abord les matières premières polysaccharidiques pour obtenir un préhydrolysat dont les constituants peuvent être à des stades différents de décomposition tels que des destrines, des oligosaccharides, etc, puis on soumet ce préhydrolysat à une hydrolyse enzymatique complé- mentaire dans l'unité d'évaporation pour obtenir un sucre f ermentable. De façon appropriée, on ajoute sé- parément, dans l'unité d'évaporation ou le fermenteur, les enzymes que l'on utilise pour effectuer l'hydro- lyse complémentaire du préhydrolysat. On effectue la réaction de saccharification dans l'unité d'évapora- tidn à une température à laquelle les enzymes utilisés sont actives et à laquelle l'éthanol peut être entrai- né sans qu'on doive utiliser une pression trop basse, c'est-à-dire de préférence dans l'intervalle des tempé- ratures compris entre 350C et 75aC. On gélatinise l'amidon, c'est-à-dire qu'on le li- quéfie par ébullition, pour réduire sa viscosité, on ajoute généralement une a-amylase thermostable. On ef- fectue l'hydrolyse complémentaire, c'est-à-dire la saccharification, au moyen d'une gluco-amylase si la matière première est un amidon et d'une cellulase si la matière première est une cellulose. Si on utilise comme matière première un mélange d'amidon et de cel- lulose, on peut effectuer l'hydrolyse simultanée de ces deux matières au moyen d'enzymes décomposant l'a- midon et la cellulose. Etant donné les différentes décompositions de la matière première qui pénètre dans l'unité d'évapora- tion à l'état préhydrolysé, la quantité de particules solides présentes est plus ou moins importante et il est avantageux de les retenir dans l'unité d'évapora- tion au moyen d'un dispositif de tamisage pour pro- longer leur durée de rétention et accroître leur dé- composition et leur hydrolyse. Il est avantageux de mettre en oeuvre le procédé de l'invention de façon qu'une partie du courant dépourvu de levure de la sé- paration centrifuge alimente une unité d'entraînement dans laquelle cette portion du courant dépourvu de levure est séparée en une partie constituée par un second courant de vapeur enrichi en éthanol et une partie constituée par un second courant liquide rési- duel de débarrassé d'éthanol. On peut prévoir de diverses façons le rejet des impuretés telles que les fibres, les agrégats de pro- téines, etc. Selon un mode de réalisation approprié du procédé de l'invention, on amène le courant de li- quide de fermentation du fermenteur à un second dis- positif de tamisage, un courant contenant les fibres fines et les particules de protéines agglomérées sé- parées par le dispositif de tamisage étant séparé du - courant de liquide de fermentation. Ce courant de par- ticules peut alimenter l'unité d'entraînement. Les cellules de levure traversent ce second dispositif de tamisage et sont séparées par le séparateur centri- fuge. Il est également avantageux de séparer un cou- rant de liquide de fermentation, non seulement en un courant concentré de levure et un courant dépourvu de levure, mais également en un courant d'impuretés telles que les cellules de levure mortes et d'autres impuretés solides, qu'on-utilise avec avantage au moins en partie pour alimenter l'unité d'entraînement. On peut effectuer cette séparation de façon intermit- tente par centrifugation. Du point de vue de l'écono- mie thermique, il est avantageux de transférer de la chaleur au courant de matière première pénétrant dans l'unité d'évaporation à partir d'un courant ré- siduel évacué de l'installation de production de l'é- thanol de qualité désirée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un procédé suivant l'inven- tion, description qui se réfère à la figure unique annexée qui illustre schématiquement un diagramme de fonctionnement d'une installation pour la mise en pra- tique du procédé. La figure montre un fermenteur 1, un séparateur centrifuge 2, une unité d'évaporation 3 qui joue éga- lement le râle de réacteur d'hydrolyse, une unité d'extraction 4 et une colonne de fractionnement 5 pour produire l'éthanol de qualité désirée. L'installation comporte également une unité 6 de prétraitement du substrat et une unité 7 de préhydrolyse. Le fermen- teur 1 est raccordé par une canalisation 8 au sépara- teur centrifuge 2 qui est destiné à séparer le courant affluent de liqueur de fermentation en une partie cons- tituée par un courant concentré de levure qu'on recy- cle dans le fermenteur par la canalisation 9; une par- tie constituée par un courant dépourvu de levure qu'on introduit par la canalisation 10 dans l'unité d'évapo- ration 3 et de façon moins importante, par une bifur- cation de la canalisation 10, dans une canalisation il qui est raccordée à l'unité d'extraction 4; et fi- nalement, une partie constituée par un courant intermé- diaire de boue, constitué d'impuretés plus ou moins - solides, qui est évacué par une canalisation 12. Un dis- positif de tamisage 13 est placé dans la canalisation 8 de cette installation pour séparer les particules plus grosses que les cellules de levure par exemple celles mesurant au moins 100 pm. Ces particules sont amenées sous forme d'un courant, par une canalisation 14 et une canalisation 11, à l'unité d'extraction 4. Le courant de boue 12 du séparateur centrifuge peut également être amené à l'unité d'extraction 4. Un cou- rant est ramené de l'unité d'évaporation 3 par la ca- nalisation 15 au fermenteur 1 et un échangeur de cha- leur 16 est prévu pour transférer la chaleur du cou- rant parcourant la canalisation 15 au courant de la canalisation 10. On maintient ainsi la température dans le fermenteur 1 à la valeur normale convenant à la fermentation, c'est-à-dire à environ 32OC tandis que selon l'invention on maintient la température dans l'unité d'évaporation à une valeur considérablement plus élevée, comprise de préférence entre 35 et 750C. Une canalisation 17 conduit un courant de vapeur en- richi en éthanol de l'unité d'extraction 4 à l'unité d'évaporation 3. La matière première est introduite par une cana- lisation 18 dans l'unité 6 de prétraitement du sub- strat qui est raccordée d'une part à une canalisation 19 conduisant à l'unité de préhydrolyse-7 et d'autre part à une canalisation 20 par laquelle la majeure par- tie de la matière non fermentable insoluble est éva- cuée de l'installation. L'unité de préhydrolyse 7 est raccordée à l'uni- té d'évaporation 3 par une canalisation 21. Un courant de vapeur enrichi en éthanol est amené par une canali- sation 22 à la colonne de fractionnement 5 dont il est évacué en partie sous forme d'un courant d'éthanol par une canalisation 23 et en-partie sous forme d'un cou- rant liquide résiduel qui est conduit par une canali- sation 24 à l'unité 6 de prétraitement du substrat. Un échangeur de chaleur 25 est disposé pour transfé- rer la chaleur-de ce courant résiduel au courant de matière première passant dans la canalisation 19. L'unité d'extraction 4, la colonne de fractionnement 5 et l'unité d'évaporation 3 comportent des surfaces chauffantes, formées par exemple par des serpentins permettant un transfert de chaleur indirect. L'unité d'extraction 4 est munie d'une sortie de fond 26. Selon la température, comprise entre 35 et 750C, qui règne dans l'unité d'évaporation, on maintient un vide correspondant dans cette unité au moyen d'un dispositif non représenté. L'installation comporte de plus les pompes nécessaires pour maintenir les écoulements et pour vaincre les différences de pression. L'unité d'évaporation peut être munie d'un dispositif de tami- sage 27 empêchant les particules plus ou moins solides qui n'ont pas été digérées 'd'atteindre le fermenteur. Le fermenteur comporte une sortie 28 du dioxyde de carbone formé. L'unité de préhydrolyse 7 comporte une entrée 29 de vapeur d'eau. Exemple: Matière première amylacée - blé. Si la matière première contient de l'amidon, comme c'est le cas des céréales ou des racines culti- vées, on préfère la broyer et séparer les matières insolubles qui ne peuvent être décomposées en sucre fermentable que généralement on sèche avec les eaux résiduaires de l'installation de distillation produi- sant l'éthanol de qualité désirée pour obtenir un fourrage. Dans l'installation illustrée sur la figure, on sépare la matière première dans l'unité 6 de façon classique, non représentée, en un courant de ces ma- tières insolubles que l'on évacue par la canalisation et en un courant de suspension d'amidon qu'on con- duit à l'unité de préhydrolyse sous forme d'une sus- pension relativement concentrée, c'est-à-dire conte- nant une quantité limitée d'eau ajoutée pour réduire la consommation d'énergie de l'installation; la con- centration en amidon de cette suspension est de pré- férence supérieure à 40 % en poids. On préchauffe la suspension d'amidon à environ 650C dans l'échangeur de chaleur 25 et on ajoute une a-amylase thermostable, telle que celle connue sous l'appellation NOVA TERMAMYL L. Pour effectuer la préhydrolyse, on pompe la sus- pension d'amidon en continu à travers l'unité 7 qui a une structure semblable à celle d'un réacteur tubu- laire. On ajoute 3,7 parties de vapeur d'eau par par- tie de suspension et la température s'élève à environ 105.C. La durée de séjour dans le réacteur tubulaire est d'environ 5 minutes, ce qui gélatinise, c'est-à- dire liquéfie, l'amidon avant qu'on le laisse gonfler dans l'unité d'évaporation 3 o on maintient un vide correspondant à une température de 65O C. Une autre so- lution consiste à effectuer la préhydrolyse à une tem- pérature plus basse (environ 900C) avec un séjour plus long (environ 2 heures) avant l'entrée dans le circuit de circulation. La description de l'installation montre claire- ment qu'un courant circule entre l'unité d'évaporation 3 et le fermenteur 1. Dans cette installation, l'unité d'évaporation et le fermenteur ont environ le même vo- lume et la durée totale de séjour y est d'environ 8 heures (environ 4 heures dans l'unité d'évaporation et 4 heures dans le fermenteur). Bien entendu, la du- rée de réaction nécessaire varie avec la température et la concentration de l'enzyme ajoutée. Dans le pré- sent exemple, on ajoute des enzymes saccharifiantes, c'est-à-dire des enzymes provoquant une hydrolyse com- plémentaire de l'amidon préhydrolysé en sucre fermen- table, sous forme de glucoamylase SAN 150 L de la so- ciété NOVO au début de l'opération ainsi que dans l'u- nité d'évaporation 3, c'est-à-dire le réacteur de sac- charification et dans le fermenteur 1 o on maintient une température de 320C. L'amidon préhydrolysé est sac- charifié et le sucre formé est fermenté par de la le- vure de boulangerie (Saccharomyces cerevisiae) dans le fermenteur. On sépare en continu la levure du courant passant dans la canalisation 8 au moyen du séparateur centrifuge 2 et on la recycle par la canalisation 9 sous forme d'un concentré de levure dans le fermenteur 1. On amène par pompage le courant dépourvu de le- vure à l'unité d'évaporation 3 d'o on extrait un courant de vapeur enrichi en éthanol tandis qu'il se produit une saccharification de l'alimentation amylacée préhydrolysée provenant du fermenteur avec recyclage, par l'intermédiaire de l'échangeur de cha- leur 16, au fermenteur 1. Les enzymes ne sont pas consommées, mais recyclées; des concentrations en- zymatiques élevées sont admissibles du point de vue économique. Seules les quantités d'enzymes qui sont perdues avec le courant d'eau résiduaire de l'unité d'entraînement 4 par la sortie 26 doivent être rem- placées. Un certain apport d'enzymes est rendu néces- saire par 1 'inactivation au cours du temps. Grâce au dernier courant cité, on maintient le bilan des matiè- res dans le système, si bien que la concentration en matières solubles non fermentables ne dépasse pas en- viron 15 % dans le fermenteur 1. Dans le présent exemple, on obtient les compo- sitions suivantes des courants affluents et effluents (les substances nutritives et les agents d'ajustement du pH ne sont pas indiqués). TABLEAU: Matière première amylacée. Courant (voir la figure) (19) (29) (22) (26) (28) Amidon 47,25 Ethanol 21, 70 0,20 Sucre 0,85 Glycérol 1,80 Co2 20,80 Vapeur d'eau 3,70 Eau 50,00 50, 70 3,00 Non soluble/non fermentable 1,75 1,75 Soluble/non fermentable 1, 00 1,00 Autres matières 0,60 1, 30 Total 100,00 3,70 73,00 9,70 21,00 Matière première constituée de cellulose. Il est plus difficile de saccharifier la cellu- lose, surtout la lignocellulose cristalline, que l'ami- don. Il est donc important de choisir le prétraitement approprié. On doit séparer et évacuer la lignine et les autres matières non fermentables, car elles peu- vent inhiber le processus de fermentation. On doit iso- ler les fibres pour offrir une surface importante à l'attaque enzymatique. On peut choisir entre divers procédés de prétrai- tement, selon la nature de la matière première. Lors- que la matière première est constituée de copeaux de bois, de paille, etc, une désintégration thermique est appropriée. On effectue ensuite une préhydrolyse acide à température élevée avec une durée de contact brève pour éviter que se reforment des sucres non fer- mentables et on sépare les pentoses que l'on évacue. Si l'on n'évacue pas les pentoses, on les retrouve dans l'eau résiduaire du procédé et ils peuvent être transformés en furfural, levure de fourrage, etc. La matière cellulosique préhydrolysée est intro- duite de la même façon que la matière première amylacée de l'exemple ci-dessus, dans l'unité d'évaporation 3. Dans le système réactionnel, c'est-à-dire le circuit constitué de l'unité d'évaporation 3 et du fermenteur 1, on maintient une concentration élevée en un système enzymatique approprié, par exemple un mélange de cellu- lase et de cellobiase et la température optimale pour l'activité enzymatique et l'élimination de l'éthanol dans l'unité d'évaporation 3. La durée de la réaction d'hydrolyse de la cellulose préhydrolysée est supérieure à celle de l'amidon préhydrolysé, si bien que la capa- cité de l'installation est réduite de façon correspon- dante. La matière première contient généralement des concentrations élevées en matières solubles non fermen- tables si bien que le courant alimentant l'unité d'en- trainement est important. Matière Dremière constituée d'amidon et de cellulose. La plupart des matières premières contenant de l'amidon, en particulier les racines cultivées telles que le manioc et la pomme de terre, contiennent des proportions importantes de fibres cellulosiques après le prétraitement et ces fibres sont difficiles à sé- parer. Ces fibres sont minces et facilement hydroly- sables. Il est donc approprié de les associer à la suspension d'amidon dont on alimente l'unité d'évapo- ration 3, c'est-à-dire le réacteur de saccharification. Un mélange d'enzymes telles que des amylases et des cellulases est nécessaire pour hydrolyser ce mélange. Ces enzymes n'ont pas la même température optimale d'activité si bien qu'un compromis est nécessaire pour l'obtention du meilleur rendement possible en sucre et *en éthanol. REVENDICATIONS i. Procédé pour produire de l'éthanol par fermen- tation continue de matières premières polysaccharidi- ques, dans lequel la fermentation est effectuée dans un ou plusieurs fermenteurs (1), on sépare un courant de liqueur de fermentation en un courant (9) concentré de levure, un courant (10) dépourvu de levure et éventuel- lement un courant (12) de boue, on recycle le courant concentré de levure au fermenteur (1), on amène au moins une partie du courant dépourvu de levure à une unité d'évaporation simple (3) correspondant à un ou à quelques étages de distillation, o il est séparé pour partie en un premier courant de vapeur (22) en- richi en éthanol dont on alimente une installation (5) de production de l'éthanol de qualité désirée (23) et pour partie en un premier courant liquide ré- siduel (15) dont on recycle au moins une partie au fermenteur (1), caractérisé en ce qu'on amène un cou- rant de matière première à un circuit de circulation constitué du fermenteur (1) et de l'unité d'évapora- tion simple (3). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on sépare un courant de liqueur de fermenta- tion en un courant concentré de levure, un courant dé- pourvu de levure et éventuellement un courant de boue au moyen d'un séparateur centrifuge. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 dans-lequel on gélatinise ou liquéfie tout d'abord les matières premières polysaccharidiques pour obtenir un préhydrolysat, caractérisé en ce qu'on soumet ce préhydrolysat à une hydrolyse complémentaire sous l'ef- fet d'enzymes dans l'unité d'évaporation pour l'amener sous une forme fermentable. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on ajoute séparément à l'unité d'évaporation (3) ou au fermenteur (1) les enzymes qui provoquent l'hydrolyse complémentaire du préhydrolysat. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, carac- térisé en ce qu'on effectue l'hydrolyse complémentaire dans l'unité d'évaporation (3) à une température com- prise entre 35 et 75OC. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 3 à 5, caractérisé en ce qu'on effectue l'hy- drolyse complémentaire avec une glucoamylase, ou avec une cellulase, ou simultanément avec des enzymes dé- composant l'amidon et des enzymes décomposant la cel- lulose. 7. Procédé selon l'une-quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'on fait pas- ser le courant de liqueur allant de l'unité d'évapora- tion au fermenteur à travers un dispositif de tamisage (27) qui retient les particules qui n'ont pas été di- gérées dans l'unité d'évaporation. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 2 à 7, caractérisé en ce que le courant dé- pourvu de levure provenant du séparateur centrifuge alimente une unité d'extraction (4) dans laquelle cette portion du courant dépourvu de levure est sépa- rée en une partie constituée par un second courant de vapeur enrichi en éthanol (17) et une partie constituée par un second courant liquide résiduel (26) dépourvu d'éthanol. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que l'on fait passer le courant de liqueur de fermentation provenant du fermenteur à travers un dispositif de tamisage (13), un courant (14) contenant les particules séparées par le dispositif de tamisage étant séparé du courant de liquide de fermentation. 10. Procédé selon la revendication 9, caractéri- sé en ce que le courant contenant les particules sépa- rées par le dispositif de tamisage alimente l'unité d'entrainement. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'on sépare un courant de liqueur de fermentation non seulement en un courant concentré de levure et un courant dé- pourvu de levure, mais également en un courant de boue constitué d'.impuretés, telles que cellules de levure mortes et autres impuretés solides. 12. Procédé selon la revendication 11, caracté- risé en ce qu'au moins une partie de ce courant de boue alimente l'unité d'entraînement. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce qu'on transfère (25) la chaleur d'un courant résiduaire (24) évacué de l'installation (5) de production de l'éthanol de qua- lité désirée au courant de matière première (19) dont on alimente l'unité d'évaporation (3).