Brevet FR2533230A1 — publié le 19840323

L'utilisation des jus de topinambour pour la production d'méthanol par fermentation a été,à plusieurs reprises dans le passé, proposée en remplacement des substrats sucriers traditionnels (mélasses de betteraves ou de canne à sucre). Les brevets français n 2483944 et 2487846 décrivent l'utilisation d'un tel substrat pour l'obtention d'un autre produit de fermentation : un mélange d'acétone et d'alcool butylique, par utilisation de souches de Clostridium acetobutylicum sur des jus de topinambour préalablement soumis à une hydrolyse acide. On a trouvé maintenant qu'en modifiant les conditions d'hydrolyse acide de façon à ntobtenir qu'une dépolymérisation partielle et contrôlée des oligo et polysaccharides contenus dans le jus de topinambour, et en soumettant ensuite le produit de cette hydrolyse à la fermentation acétonobutylique, on obtenait de meilleures productions du mélange d'acétone et de butanol, avec un meilleur rendement par rapport aux sucres mis en jeu. Les conditions à respecter pour réaliser cette hydrolyse partielle sont basees sur la détermination, en fonction de la progression de l'hydrolyse, des teneurs en oligomères correspondant aux degrés de polymérisation 2 (DP2) et 3 (DP3) dont l'unité monomère renferme 6 atomes de carbone par motif monomère. Les~sucres DP2 renferment cpnc 12 ces de carbone, les sucres DP3, 18 atomes ce carbone, etc... On a maintenant prouvé qu'il fallait interrompre l'hydrolyse acide, afin de procéder à la fermentation acétonobutylique, lorsque la double condition suivante était satisfaite Teneur en sucres DP3 inférieure à 3 % de la teneur totale en sucres-du milieu Teneur en sucres DP2 supérieure à 14 % de la teneur totale en sucres du milieu. La teneur totale en sucres du milieu est déterminée par une hydrolyse enzymatique qui convertit les sucres oligomeres en sucres monomères, suivie d'un dosage de ces sucres monomères (glucose et fructose) par une méthode enzymatique. Cette teneur totale en sucres est donc exprime en sucres monomères potentiels. Le principe de l'hydrolyse enzymatique du jus consiste à faire agir, dans des conditions optimales, une inulinase (NOVC) qui est en fait un mélange d'endo et d'exoinulinases dans le rapport 1/1, obtenue à partir de culture d'Aspergillus. Les conditions expérimentales sont les suivantes pH = 4,5 ; température = 500C ; substrat = G,1 % p/v ; 5000-u/g de substrat (1 u = 1 unité enzymatique correspondant à 1 fiole de sucre réducteur fourni par minute). Dans ces conditions l'hydrolyse en monomère est supérieure à 99,5 % en deux heures. Le dosage enzymatique mis en oeuvre à la suite de l'hydrolyse utilise l'ensemble de dosage Boehringer (méthode de dosage du glucose et du fructose, réf. 139106). La détermination du degré de polymérisation des oligoméres, ainsi que de leur teneur avent l'hydrolyse et au cours de celle-ci, est effectuée par chromatographie en phase liquide sous haute pression. Le dosage est effectué sur les jus déminéralisés. La séparation et le dosage des oligosaccharides s'effectuent sur une colonne C18 P Bondapak (Waters Assoc.) élueeavec un mélange acétonitrile/eau (85/15). La détection est effectuée à l'aide d'un réfractomètre différentiel (R401 - Waters Assoc.). A titre d'exemple, la figure jointe donne le chromatogramme obtenu sur un jus de pressage de tubercules broyés de topinambour avant hydrolyse. On note la presence de plusieurs pics correspondant aux degrés de polymérisation 1, 2, 3, 4 et 5, répertoriés respectivement DP1, DP2, DP3, DP4 etDP5, les différents types de sucres de même degré de polymérisation n'étant pas séparés par cette méthode. Par comparaison avec les surfaces des pics correspondant à divers sucres témoins, ainsi que par étude de l'évolution de ces pics en fonction de la progression de l'hydrolyse, on évalue pour le jus initial et pour ses produits d'hydrolyse la proportion des oligomères de chaque degré de polymérisation. Le procédé de l'invention comprend donc a/ Une première étape d'hydrolyse d'un jus de topinambour, consistant à maintenir ce jus à une température de 75 à1200C, à-pH de 2 à 4,5, pendant un temps suffisant pour amener la teneur pondérale en sucres trimères au-dessous de 3 % de la teneur totale en sucres, la teneur pondérale en sucres dimères restant,toutefois, au moins égale à 14 % de cette teneur totale. b/ Une seconde étape consistant à mettre le jus obtenu au terme de l'étape a/ dans des conditions de fermentation, en présence du microorganisme Clostridium acetobutylicum, de manière à produire de l'acétone et de l'alcool butylique, que l'on peut séparer ensuite du jus par toute manière connue. La durée-de la première étape dépend des conditions opératoires et ne peut donc être précisée exactement ; elle est d'autant plus longue que le pH est plus élevé et la température plus-basse. Les conditions préférées pour l'étape a/ sont une température de 100 à llO"C et un pH de 3 à 4. L'acidification du milieu peut être obtenue par emploi d'un acide minéral ou organique, par exemple l'acide sulfurique ou l'acide chlorhydrique. De préférence on interrompt l'étape a/ lorsque DP3 DP2 > 18 %. Pour interrompre l'hydrolyse, on peut agir sur le pH de maniere à l'amener à une valeur supérieure à 4,5, par exemple de 5,5 à 7,5, et/ ou sur la température, en abaissant cette dernière. La modification de pH peut être réalisée par ajout d'une base, par exemple l'ammoniaque,la soude, la chaux ou la potasse. Les conditions de la fermentation acétonobutylique sont connues. Elles comprennent le plus souvent une température de 25 à 40 C et un pH de 4 à 7,5. On opère en conditions d'anaerobiose, en fournissant les éléments nutritifs usuels, en particulier N, K, P, Mg et un extrait de levure. On obtient parfois, outre l'acétone et le butanol, d'autres composes, notamment de l'isopropanol et del'éthanol, en proportions mineures. L'invention n'est pas limitée à l'emploi d'une souche particulière de Clostridium acetobutylicum. Les exemples qui suivent illustrent l'invention. Dans ces exemples, la teneur totale en sucre et la teneur en sucre de chaque degré de polymérisation ont été déterminées par les méthodes indiquées plus haut. Le jus de topinambour utilisé dans les exemples qui suivent, et dont l'analyse chromatographique est donnée par la figure jointe, avait une teneur en glucose potentiel de 45,6 g.1-1 et fructose potentiel de 143,7 g.1-1 soit un total de 189,3 g.l -l de sucres monomères potentiels. EXEMPLE 1 Plusieurs échantillons du jus initial ont été amenés à pH 2 par addition d'acide sulfurique concentré (96 %) tout en etant dilués de façon à obtenir une teneur potentielle en sucres monomères de 65 g.l-1 (soit 49,3 g.1-1 de fructose et 15,7 g.1-1 -1 de glucose) et un volume total d'environ 4 litres. Les échantillons sont ensuite maintenus à 900C pendant des temps variables : 5, 10, 20, 30, 45 et 60 minutes. Sur les solutions refroidies, on effectue des prélèvements de quelques millilitres pour les analyses et l'on procède,sur la majeure partie, à une fermentation acétonobutylique. Pour ce faire, les solutions sont neutralisées avec de l'ammoniaque concentrée jusqu'à pH 7. Elles sont ensuite versées dans des fermenteurs de 6 litres utiles, puis stérilisées à 1200C pendant 2C minutes. Les fermenteurs, refroidis à 340C et maintenus cette température, sont ensemencés avec des bactéries du type Clostridium acetobutylicum (souche IFP 902). L'activité fermentaire est mesurée au bout de 36 heures par la teneur en mélange acétdnobutylique, essentiellement acétone + butanol en proportion acétone environ 33 %, butanol environ 66 %, eux-mêmes déterminés par chromatographie en phase gazeuse. Le rapport de la teneur pondérale en mélange acétonobutylique à la teneur pondérale totale en sucres permet d'évaluer le rendement (% en poids) de la fermentation. Les résultats obtenus pour les fermentations correspondant aux différents temps d'hydrolyse sont rassemblés tableau 1 ; en même temps on a not- les variations des teneurs en monomères, DP1 et oli gomères DP2, DP3 et de façon globale > DP3, teneurs exprimées en % par rapport à la teneur initiale totale en sucres. Le tableau 1 montre que la concentration en mélange acétonobutylique et le rendement passent par un maximum pour un temps d'hydrolyse voisin de 10 minutes. A ce moment les oligomères > DP3 ne sont plus mesurables, la teneur en DP3 n'étant plus que de 2,7 % en poids par rapport aux sucres totaux ; la disparition des DP2 n'a lieu que pour des temps beaucoup plus longs. La baisse de production en melange acétonobutylique observée apres environ 10 minutes, et qui est surtout sensible après environ 20 minutes, ne peut être expliquée par une destruction des sucres monomètres, DP1, puisque ces derniers croissentrégulièrernent pour atteindre une valeur voisine de 100 %.Le dosage des sucres monomeres potentiels, effectué par méthode enzymatique pour les différents temps d'hydrolyse, confirme ce résultat : les teneurs en glucose et fructose potentiels restent constantes et voisines de la valeur initiale, pour tous les temps d'hydrolyse, à l'exception d'une-légère baisse sur le fructose : 47,6 g.1-1 au lieu de 49,3 9.l 1 au bout de 60 minutes, baisse qui ne saurait toutefois rendre compte de la diminution importante de rendement observée lors de la fermentation acétonobutylique. On peut penser que cette baisse de production est liée aux produits de décomposition du fructose qui auraient un effet inhibiteur sur la fermentation acétonobutylique ; à ces concentrations très faibles, ces produits ne sont pas décelables par les méthodes d'analyse mises en oeuvre. D'un point de vue pratique, on remarque toutefois que la baisse de production a lieu dès que la teneur en DP2 devient inférieure à environ 14 %. EXEl-4PLE 2 On a procédé de la même façon que dans l'exemple 1, en effectuant toutefois l'hydrolyse acide à 110 C avec un pH de 3,5. On obtient une production de mélange acétonobutylique un peu supérieure à la production maximale précédente après @@ minutes environ La production reste ensuite sensiblement constante pour diminuer quelque peu à partir d'environ 140 minutes. TABLEAU 1 PRODUCTION DE MELANGE (ACETONE + BUTANOL) ET EVOLUTION DU DEGRE DE POLYMERISATION EN FONCTION DU TEMPS D'HYDROLYSE (pH 2 - 90 C) Concentration Rendement Temps DP1 DP2 DP3 DP3 en mélange en mélange d'hydrolyse > acétone + butanol acétone + butanol (mn) (%) (%) (%) (%) (g.1-1) (% poids) 0 6,4 9,8 4 31 18 47 5 14,6 22,5 35,1 45,0 9,9 10 10 17,6 27,1 64,7 32,5 2,7 nd 20 17,2 26,5 84,5 14,7 0,5 nd 30 16,1 24,8 92,1 6,5 nd nd 45 14,6 22,5 97,2 1,4 nd nd 60 12,4 19,1 98,3 - nd nd nd = non détectable (inférieur au seuil de détection). TABLEAU 2 PRODUCTION DE MELANGE (ACETONE + BUTANOL) ET EVOLUTION DU DEGRE DE POLYMERISATION EN FONCTION DU TEMPS D'HYDROLYSE (pH 3,5 - 110 C) Concentration Rendement Temps DP1 DP2 DP3 DP3 en mélange en mélange d'hydrolyse > acétone + butanol acétone + butanol (mn) (%) (%) (%) (%) (g.1-1) (% poids) 0 6,4 9,8 4 31 18 47 10 8,8 13,5 13,2 35,3 17,5 34 20 13,3 20,5 32,5 41 12,9 13,6 40 16,6 25,5 50,2 41 5,8 3,0 60 17,8 27,4 61,8 34,4 2,2 1,0 80 17,8 27,4 66,5 31,5 1,2 nd 100 18,1 27,8 73,1 26,3 nd nd 120 17,8 27,4 76,7 22,6 nd nd 140 17,4 26,8 79,8 18,7 nd nd 160 16,8 25,8 82,6 15,9 nd nd nd = non détectable REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'un mélange d'acétone et de butanol qui comprend a/ une étape d'hydrolyse acide d'un jus de topinambour, et une étape de fermentation en présence de Clostridium acetobuty licum, du jus hydrolysé provenant de l'étape a/ caractérisé en ce que l'hydrolyse est effectuée à une température de 75 à 120 C, à pH de 2 à 4,5, pendant un temps au moins égal à celui qui permet d'amener la teneur pondérale en sucres trimères au-dessous de -3 % de la teneur totale en sucres, mais inférieur à celui qui amène la teneur ponderale en sucres dimères audessous de 14 % de la teneur totale en sucres. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le temps d'hydrolyse est choisi de manière à amener la teneur pondérale en sucres tri mères au-dessous de 2,2 % delta teneur totale en sucres, la teneur ponderale en sucres dimères étant toutefois superieure à 18 % de la teneur totale en sucres. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, pour l'étape a/, la temperature est de 100 à 110 C et le pH de 3 à 4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel on interrompt l'étape a/ par élévation du pH jusqu'à une valeur supé rieure à 4,5.