Brevet FR2490677A1 — publié le 19820326

L'hydrolyse acide de substrats végétaux riches en cellulose et hémicelluloses en vue, soit de l'obtention des sucres eux-mêmes, soit de la transformation ultérieure des jus sucrés en divers produits tel que alcool éthylique, mélange d'acétone et, d'alcool butylique et d'alcool isopropylique, levures servant de source de protéines, etc... est connue depuis longtemps. Cependant, une hydrolyse suffisante des substrats cellulosiques n'est obtenue qu'en utilisant des concentrations importantes d'acide et en mettant en oeuvre des températures élevées, ce qui entraîne une destruc- tion partielle des sucres, une consommation d'énergie élevée et l'emploi de matériaux coûteux, résistant à ces conditions sévères. C'est pourquoi, on a plus récemment étudié d'autres méthodes d'hydrolyse, en particulier des méthodes mettant en oeuvre des préparations de celluloses (cf. par exemple: brevet US 3.642.580, brevet européen 0.011.767) qui, permettant d'opérer à basse température, présentent l'avantage de ne pas conduire à une destruction des sucres. Cependant,l'hydrolyse enzymatique est relativement lente et, pour accélérer la transformation en sucres, on a proposé divers traitements, comme des traitements mécaniques (brevet US 3.642.580) ou des traitements alcalins (brevets français 2.359.206 et 2.327.315). Les premiers présentent l'inconvénient d'une dépense énergétique élevée; quant aux seconds, ils conduisent à des constituants solubles susceptibles d'avoir certains incon- vénients pour les transformations ultérieures envisagées ainsi que du point de vue du pouvoir polluant des liqueurs résiduelles. L'objet de la présente invention est de décrire un procédé de préparation de jus sucrés et de produits qui en dérivent à partir de subs- trats végétaux cellulosiques, procédé qui remèdie aux inconvénients des procédés connus. Ce procédé remèdie en effet largement aux problèmes liés à l'emploi du traitement acide sévère connu: dégradation des sucres, phénomènes de corrosion de l'appareillage, difficulté de rejeter les solutions acides après emploi. Le nouveau procédé remèdie aussi aux incon- vénients du traitement enzymatique usuel: rendement insuffisant, conver- tion lente. Le procédé de l'invention comprend deux étapes essentielles a) dans une première étape, -on traite le substrat végétal par une solution aqueuse d'un acide, dans des conditions d'hydrolyse acide des métaux cellulosiques en interrompant le traitement quand 10 à 45 % des sucres réducteurs potentiels ont été formés. b) dans une seconde étape, le mélange résultant de la première étape est amené à des conditions de température et de pH permettant une hydrolyse enzymatique de la cellulose, on ajoute un enzyme capable d'hydro- lyser la cellulose (cellulose) et on maintient les dites conditions pendant un temps suffisant pour former une quantité complémentaire de sucres réduc- teurs. Par définition un rendement de 100 % en sucres réducteurs est celui qui corresponde à l'hydrolyse totale de la cellulose et des hemicelluloses contenues dans le végétal lesquelles sont déterminées par la méthode classique à l'anthrone ( HERBERT D. PHIPPS, P.J. et STRANGE, R. E. (1971) Methods in Microbiology 5B,209. Rapport OGRST). Il est ainsi possible, par le procédé de l'invention, d'obtenir des rendements en sucres réducteursatteignant 50 à 80 %, ou davantage, de la valeur théorique, et cela en opérant dans des conditions douces, particulièrement économiques en énergie et en matériel. Le traitement de première étape peut être réalisé comme suit L'acide mis en oeuvre peut être,l'un quelconque des acides forts connus, par exemple l'acide sulfurique, l'acide chlorhydrique ou l'acide phosphorique. On préfère ce dernier acide pour les raisons suivantes: action moins brutale, moindre corrosion, intérêt de fournir un élément que l'on devra ensuite ajouter si l'on désire soumettre le jus sucré à une fermentation ultérieure et enfin, possibilité d'épandage aisé des solutions finales résiduelles grâce à leur teneur élevée en éléments nutritifs. De ces deux derniers points de vue et notamment selon les besoins nutritionnels des microorganismes utilisés dans les fermentations ultérieurement mises en oeuvres, on aura intérêt à ajouter à l'acide phosphorique,de petites proportions d'autres.-acides et notamment d'acide sulfurique lequel constitue, bien qu'à une concentration moins élevés, un élément nutritif essentiel, et qui permet également d'utiliser des teneurs plus faibles en acide phosphorique pour le traitement des substrats végétaux Quelque soit l'acide utilisé, il est avantageux de l'employer à faible concentration dans la phase aqueuse d'hydrolyse, par exemple à une concentration de 0,1 à 5 %, de préférence C,25 à 2 % en poids. Il n'y a en effet aucun avantage particulier; bien au contraire, à utiliser des concen- trations plus élevées. La proportion d'acide par rapport au substrat végétal peut varier largement; une proportion de 2 à 10 %, de préférence 4 à 8 % du poids du matériau cellulosique(substrat végétal cellulosique) peut ainsi tre avantageusement utilisée. Les conditions de l'hydrolyse acide peuvent être choisies dans un large domaine, l'essentiel étant de limiter la conversion en sucres réducteurs à une valeur représentant 10 à 45 % de la théorie. On pourra donc opérer, par exemple, entre 100 et 1600C, pendant 10 minutes à 10 heures La convertion étant d'autant plus rapide que la température est plus élevée, on préfère associer les temps de réaction courts aux températures les plus élevées et inversement. On aura en outre intérêt, après l'attaque acide des substrats végétaux et avant l'hydrolyse enzymatique, laquelle s'effectue de préfé- rence à un pH compris entre 3,5 et 7 et de préférence entre 4 et 6, à effectuer la neutralisation du jus par une ou plusieurs bases contenant des éléments qui seront utiles pour la fermentation ultérieure des sucres, ainsi qu'ultérieurement comme engrais, par exemple de la soude, de la potasse, de l'ammoniaque, du carbonate de sodium, du carbonate de potassium, du carbonate d'ammonium ou leurs mélanges. Parmi les végétaux retenus comme matière première pour la présente convention, on choisira de préférence des résidus agricoles produits en grande quantité, comme les pailles ou balles de céréales, les anas de lui, les rafles ou tiges de mais, les bagasses de canne à sucre, les tiges résiduelle d'oléagineux, etc..., ou encore des végétaux divers mal utilisés et aisément récoltables, comme les bois de taillis, les déchets divers de coupe des bois ou des scieries. Ces matériaux contiennent couramment à la fois de la cellulose et des hémi-celluloses, par exemple 35 à 40 % de cellulose et 25 à 30 % d'hémi-celluloses dans le cas de la paille. Selon la nature des substrats végétaux mis en oeuvre,on pourra réaliser au préalable un broyage de ces végétaux, broyage qui n'aura toutefois pas besoin d'être aussi poussé que si le traitement enzymatique était effectué seul.(On recommande dans ce cas un broyage jusqu'à des parti- cules inférieures à 150 p ou même 25 p-brevet US 3.642.580) et l'on pourra se contenter d'un broyage grossier ou d'un simple hachage conduidant par exemple à des particules de taille comprise entre 0,1 mm et S cm. Selon la nature des substrats et le mode de récolte initial, il pourra d'autre part être intéressant d'effectuer conjointement les opérations de broyage grossier et de traitement acide en utilisant un appareillage approprié tel qu'un mélangeur à cylindre, une extrudeu e, un broyeur colloidaletc. Lorsque l'hydrolyse acide a permis d'atteindre le degré de conver- sion en sucres réducteurs désiré, on neutralise le milieu jusqu'à pH de 3, 5 à 7 et de préférence 4 à 6, comme indiqué plus haut, on lui ajoute l'enzyme cellulose et on maintien le mélange dans des conditions d'hydroly- se enzymatique qui, par elles-même, sont déjà connues. Des conditions typiques sont, par exemple, une température de à 65 C, de préférence 45 à 55 C, et des durées d'hydrolyse enzymatique de 6 à 120 h. de préférence 20 à 50 h. Là aussi, il est avantageux d'asso- cier les températures élevées aux temps relativement courts et inversement. Les enzymes qu'il convient d'utiliser sont ceux qui ont une activi- té d'hydrolyse de la cellulose. Il est avantageux qu'ils aient aussi une activité d'hydrolyse vis-à-vis des hémicelluloses. De tels enzymes sont produits en particulier par des champignons de diverses espèces (Production of cellulalytic enzymes by fungi T-M Enari et P. Markkanen Advences in Biochemical Engineering. 5., 3-24 (1977). L'invention sera mieux comprise d'après les exemples décrits ci-après: Exemple 1 On prend 1 g de paille de blé grossièrement hachée sous forme de particules de 0,1 à quelques millimètres et ayant une humidité de 7 %. On la met en suspension dans 25 ml d'un tampon aqueux acétate à pH 4,8 auquel on ajoute une préparation commerciale de cellulase (NOVO SP 122) en quantité telle que l'activité cellulase du milieu d'hydrolyse soit de 0,34 UI (unités internationales cellulase papier filtre) par millilitre et ou maintien le milieu à 46 C. On mesure la quantité de sucres contenue dans la solution respectivement au temps O et au bout de 40 heures. Cette quantité de sucres est exprimée en sucres réducteurs * ainsi qu'en clucose ** et pentoses ***. Les résultats obtenus sont indiqués dans la première colonne du tableau 1. On voit qu'il s'est formé 5,15 g/l de sucres réducteurs, chiffre qu'il convient de rapprocher du rendement théorique (sucres réducteurs potentiels] de 26 g/l Exemple 2 On prend 1 g de la même paille de blé grossièrement hachée mais on la traite au préalable par 8 ml d'une solution aqueuse d'acide phospho- rique, l'acide phosphorique étant en concentration telle qu'il corresponde à 4 % en poids de la paille. On porte à l'autoclave I heure à 120 C. On laisse refroidir puis on ajuste le pH (par addition de soude), la quantité d'eau et d'enzyme de façon à se retrouver dans les conditions d'hydrolyse enzymatique de l'exemple 1. La température est maintenue à 46 C pendant heures. Les teneurs en sucres, respectivement au temps O puis à 40 heures par rapport à l'ajout de l'enzyme. indiqués dans le tableau 1, montrent que si la teneur initiale en sucres est plus importante que dans d'exemple 1 en raison de l'hydrolyse acide préalable, la teneur au bout de 40 heures l'est nettement plus. Les rendements sont à comparer au rendement théorique (identique pour les exemples I à 11 et 14 à 18) de 26 g/litre. * Mandels, M., Andreotti, R. et Roche, C. (1976), Biotechnology and Bioengineering Symposium, n 6, pp. 21-33. ** Bergmeyer, U. et Bernt, E. (1974) dans "Methods in Enzymatic Analysis" H.U. Bergmeyer, ed. Verlag Chemie/Academic Press, Vol. 3, pp. 1205-1214. *** Ashwell, G. (1966) Methods in Enzymol, 8,85-95. Exemple 3 Des conditions identiques à celle de l'exemple 2 sont reprises mais en effectuant toutefois le traitement préalable par 8 ml d'une solution aqueuse d'acide phophoriqus correspondant à une teneur de 6 % par rapport à la paille. L'hydrolyse enzymatique de cet exemple,de même que celle des exemples 4 à 11,est identique à celle des exemples 1 et 2. Les résultats sont indiqués dans le tableau 1. Exemple 4 Des conditions identiques à celles de l'exemple 2 sont reprises mais en utilisant 8 ml de solution aqueuse d'acide phosphorique, le dit acide étant en concentration de 8 % en poids par rapport à la paille. Les résultats sont indiqués dans le tableau 1. Exemple 5 On reprend les conditions de l'exemple 2 mais en utilisant pour le prétraitement 4 ml de solution aqueuse d'acide phosphorique, ce dernier représentant 6 % du poids de la paille. Les résultats sont indiqués dans le tableau 1. Exemple 6 On reprend les conditions de l'exemple 2 mais en utilisant 16 ml de solution aqueuse d'acide phosphorique, ce dernier représentant 6 % du poids de la paille. Les résultats sont indiqués dans le tableau 1. Exemple 7 On reprend les conditions de l'exemple 5 mais en effectuant le prétraitement pendant 3 h à 120C. Les résultats sont indiqués dans le tableau 1. Exemple 8 On reprend les conditions de l'exemple 5 mais en effectuant le prétraitement pendant 1 h à 130 C. Les résultats sont indiquésdans le tableau 1. Exemple 9 On reprend les conditions de l'exemple 5 mais en effectuant le prétraitement pendant 1 h à 140C. Les résultats sont indiqués dans le tableau 1. Exemple 10 On opère dans les conditions identiques à celles de l'exemple 8 sauf que l'on effectue le prétraitement par un mélange d'acide phosphorique et d'acide sulfurique en quantités respectivement égales à 2, 5 % et 0,5 % en poids par rapport à la paille. Les résultats sont indiqués dans le ta- bleau 1. Exemple 11 On reprend les conditions de l'exemple 7 sauf que l'on effectue le prétraitement par un mélange d'acide phosphorique et d'acide sulfurique en quantités respectivement égales à 2,5 % et 0,5 % en poids par rapport à la paille. Les résultats sont indiqués dans le tableau 1. Exemple 12 On reprend les conditions de l'exemple 10 sauf que le volume de le solution finale dans laquelle est effectuée l'hydrolyse enzymatique est de 10 ml. l'activité enzymatique exprimé en unités internationales étant 2G alors de 0,85 UI par ml. Les résultats obtenus, indiqués dans le tableau 1, montrent que la concentration finale en sucres réducteurs est nettement plus élevée. Exemple 13 On reprend les conditions de l'exemple 12 sauf que l'on effectue la neutralisation, non plus par de la soude mais par un mélange KOH g/litre, NaOH 0,6 g/ litre, NH 4OH 6.5 g/l et en se ramenant toujours, avant l'hydrolyse enzymatique,à pH 4,8. Les résultats indiqués dans le tableau 1 montrent que la nature du milieu de neutralisation de l'acide ne modifie pratiquement pas-les résultats finaux. Exemple 14 On reprend les conditions de l'exemple 8 sauf que l'hydrolyse enzymatique est d'une durée de 80 heures au lieu de 40 heures. Les résultats reportés tableau I montrent une amélioration de la teneur en sucres. Exemples 15 et 16 On reprend les conditions de l'exemple 8 sauf que l'hydrolyse enzymatique est effectuée respectivement à 50 C et 40 C. Les résultats sont reportés dans le tableau 1. Exemple 17 On reprend les conditions de l'exemple 8 sauf que l'hydrolyse enzymatique est effectuée avec une concentration double de cellulose. Les résultats obtenus sont reportés dans le tableau 1. Exemple 18 On reprend les conditions de l'exemple 8 sauf que la neutralisa- tion du milieu, avant hydrolyse enzymatique est effectuée jusqu'à pH 5,5. Les résultats obtenus sont reportés dans le tableau 1. Exemple 19 Cet exemple concernela conversion des sucres obtenus en protéines. On reprend les conditions de l'exemple 13 en les appliquant à I kg de paille. Après prétraitement puis hydrolyse enzymatique par la solution de cellulase, on obtient 10 litres de solution contenant 41 g/litre de sucres réducteurs. Le résidu de paille est filtré puis lavé avec 2 fois 1 litre d'eau et l'on obtient ainsi une solution contenant 32 g/litre de sucres réducteurs, solution que l'on supplémente en oligo éléments de façon à avoir les teneurs suivantes: MgCl2(7,85 g/l, FeS04, 7 H20 (0,2 g/l), Cu S04, 3 H20 (4,5 mg/l) et Zn SO4, 7 H20 (53,7 mg/l) La solution obtenue est introduite dans un fermenteur à aération et agitation mécanique de 20 litres et on ajoute une préculture de levure Candida utilis. Le pH est maintenu à 4,8 par addition périodique d'ammoniaque 1N et la température du fermenteur est maintenue à 34 C. Après 15 heures de fermentation aérobie, l'addition d'ammoniaque n'est plus nécessaire et l'on constate que la teneur en sucres réducteurs du milieu est passée à 1. 5 g/litre. On récolte alors les cellules par centrifugation et l'on obtient un culot contenant 700 g de levures en poids humide. Après séchage, on obtient finalement 140 g de levures qui peuvent être utilisées comme source de protéines, notamment pour l'alimentation animale. Exemple 20 Cet exemple, de même que l'exemple 21, concerne la production d'un mélange carburant. On reprend les conditions de prétraitement de l'exemple 10 appliquées à I kg de paille. On neutralise ensuite par un mélange de KOH (35 g/litre), NaOH (0,6 g/l) et ammoniaque (6,5 g/l) en se ramenant toujours, avant l'étape enzymatique, à pH 4,8. On effectue alors l'étape enzymatique et on obtient,au bout de 40 heures,19 g /litre de sucres réducteurs. On ajuste ensuite par le même mélange de bases le pH à 6,5 et l'on obtient une solution contenant 18,3 g /litre de sucres réducteurs, solution que l'on supplémente en aligo éléments: MgCl2 (2 g/litre), FeSO4, 7 H20 (0,05 g/litre), MnSO4, 4-5H20 (0,02 g/litre) (NH4)6 Mo7024, 4 H20 (0,05 g/l1, ainsi qu'en extrait de levure:30 mg/litre et biotine 3 pg/litre. On prépare ensuite dans des conditions connues une préculture d'une souche de bactérie Clostridium acetobutylicum, préculture que l'on utilise pour ensemencement de façon stérile, un fermenteur de 20 1 contenant la solution de sucres réducteurs ci-dessus. La culture est conduite sous agitation et de façon anaérobie à 37 C pendant 70 heures. Au bout de ce temps, on constate que la teneur en sucres réducteurs est passée à 2,3 g par litre et que l'on a obtenu 4,0 g/litre d'un mélange renfermant,en poids, 66 % de butanol, 29 % d'acétone et 5 % d'éthanol, mélange que sépare ensuite par distillation. Le jus résiduel est ensuite utilisé tel quel en épandage comme engrais,ou encore, avant épandage et utilisation comme engrais, soumis à une fermentation méthanique. Exemple 21 On effectue le prétraitement de l'exemple 20; on neutralise ensuite par le mélange KOH 35 g/litre, NaOH 0,6 g/litre, ammoniaque 6,5 g/litre jusqu'à pH 5,5 et l'on ajoute également les oligo éléments,l'extrait de levure et la biotine de l'exemple 20. On procède ensuite à l'étape enzymatique comme suit. On introduit la solution obtenue ci-dessus dans un fermenteur anaérobie de 20 litres, on ajoute la solution de cellulase et la préculture de la bactérie Clostridium acetobutylicum dans les mêmes proportions qu'à l'exemple 20, la température étant maintenue à 40 C. Au bout de heures, on obtient une teneur résiduelle en sucres réducteurs de 0,9 g/litre en même temps que la production de 5 g/litre d'un mélange renfermant un poids 66 % de butanol, 29 % d'acétone et 5 % d'éthanol, mélange que l'on sépare par distillation. Le jus résiduel est ensuite utilisé tel quel en épandage comme engrais, ou encore, avant épandage et utilisation comme engrais, soumis à une fermentation méthanique. TABLEAU 1. produiits doses avant Exemple 1 Exemple 2 Exemple 3 Exemple 4 Exemple 5 Exemple 6 Exemple 7 Exemple 8 et après 40 hi d'hy- drolyse enzymatiqlue Sucres réducteurs Oh 0,35 2,5 3,5 5 3,9 3,6 9,7 9,5 (g/litre) 40 h 5,5 12,6 14,5 15,8 13,8 15,1 19 18,5 G]ucose 0 h 0,09 0,66 0,91 1,21 0,93 0,95 0,60 0,81 (g/litre) 401i h 2,5 4,7 5,7 6,25 5,3 5,9 6, 2 5,5 pentoses 0 h 0,28 0,51 1,57 2,7 1,47 1,39 8,6 7,9 (g/litre) 40h 1,5 4,8 6,1 7,0 5,8 6,4 10,2 9,8 o o' P- os CC) TABLEAU 1. (auito) Produits dmnos ovrant et aprè ExaEmple 9 Exemple 10 Exemple 11 Exemple 12 Exemple 13 Exemple 14 Exemple 15 Exemple 16 Exemple 17 Exemple 1l h d'hydrolyse, enzymatique Sucres 0 h 8,1 9,9 8,7 21,3 22,1 9,3 9.8. 9.,5 9,2 9,6 réducteurs 40 h 17,9 19,5 18,3 41,1 41,5 20,1(80h) 19,0 17,5 20,8 17,5 (g/litre) Glucose 0 h 0,92 0,65 0,79 1,51 1,62 0,'82 0,85 0,82 0,85 0,90 [g/litre) 40 h 4,7 5,7 5,1 12,5 12,7 5,2(80h) 4,9 4,1 6,7 3,9 t Pentoses 0 h 6,6 8,8 8,1 18,1 18,5 7,8 7,7 7,3 7,5 7,8 (g/litre) 40 h 8,7 10,5 9,7 22,3 22,6 11,3(80h) 10,2 9,2 11,7 9,1 1,, __.' %0 Ca -r cm qr- REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de jus sucré à partir d'un substrat végétal cellulosique. comprenant deux étapes essentielles: a) on traite le substrat végétal par une solution aqueuse d'au moins un acide. dans des conditions d'hydrolyse des matériaux cellulosique jusqu'à formation de 10 à 45 % de sucres réducteurs potentiels, b) on amène le produit de l'étape (a) à des conditions de tempéra- ture et de pH permettant une hydrolyse enzymatique de la cellulose, on ajoute un enzyme capable d'hydrolyser la cellulose et on maintient les dites conditions d'hydrolyse enzymatique pendant un temps suffisant pour former une quantité complémentaire de sucres réducteurs. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la seconde étape est poursuivie jusqu'à formation d'au moins 50 % des sucres réducteurs potentiels. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'acide utilisé dans l'étape (a) est, au moins en partie, de l'acide phosphorique. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'acide est utilisé en proportion de 2 à 10 % du poids du substrat végétal cellulosique, sous forme de solution aqueuse de concentration entre 0,1 et 5 % en poids. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendicationsi à 4, dans lequel l'étape (a) est réalisée à 120-1400C pendant 1 à 3 heures. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le pH permettant l'hydrolyse enzymatique est choisi entre 3,5 et 7 et ce pH est obtenu par addition, au produit de l'étape (a), d'au moins une base choisie dans le groupe formé par la soude, la potasse, l'ammoniaque, le carbonate de sodium, le carbonate de potassium et le carbonate d'ammonium. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le substrat végétal cellulosique est la paille. 8. Utilisation du jus sucré obtenu par le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 7, comme élément nutritif dans une fermentation d'un microorganisme producteur de protéines. 9. Utilisation du jus sucré obtenu par le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 7, comme élément nutritif dans une fermentation acétono-butylique.