Brevet FR2575178A1 — publié le 19860627

PROCEDE DE PRODUCTION DE POLYSACCHARIDES DE TYPE XANTHANE La présente invention concerne un procédé de production de polysaccharides par fermentation de carbohydrates à l'aide de miceoorganismes. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de fermentation en émulsion. ( Les hétéropolysaccharides ou biopolymères obtenus par fermentation d'un hydrate de carbone sous l'action de bactéries du genre Xanthomonas, Arthrobacter, de champignon appartenant au genre Sclerotium ou d'autres microorganismes du même genre, ont trouvé de nombreuses applications industrielles en raison de leurs propriétés épaississantes et viscosifiantes. La production de gomme xanthane par fermentation aérobie en milieu aqueux a été décrite dans de nombreux brevets; voir par exemple les brevets américains 3 000 790, 3 020 206, 3 391 060, 3 433 708, 4 119 546, 4 154 654, 4 296 203, 4 377 637 et le brevet français N 2 414 555. A l'issue du processus de production, le bouillon de fermentation peut contenir environ 15 à 50 g/litre de poly- saccharide. Industriellement, il est très difficile de dépasser une concentration de 30 à 35 g/litre sans mettre en oeuvre des mesures spéciales. En effet, l'augmentation de viscosité du milieu réactionnel au fur et à mesure de la formation du polysaccharide ralentit le transfert d'oxygène et freine la fermentation. Même si les réacteurs sont équipés de moyens d'agitation puissants, qui sont coûteux en énergie, il est très difficile d'assurer une aération et un brassage suffisants de la masse réactionnelle qui permettraient un accroissement de concentration en polymère. Dans le but d'accroître la concentration en gomme, il a récemment été proposé de réaliser la fermentation sous forme d'une émulsion ou dispersion du milieu nutritif aqueux dans une huile de manière à réduire la viscosité du moût et à favoriser le transfert d'oxygène: demandes de brevet européen 00 58364, 00 74775 et 00 98473. Il apparaît cependant préférable de réaliser une première étape de croissance des microorganismes dans le milieu nutritif essentiellement aqueux avant l'introduction de l'huile et la constitution de l'émulsion eau dans huile. Lorsque l'émulsion eau dans huile est formée, il devient difficile de réguler le pH de la phase aqueuse dispersée et la formation de sous-produits acides risque de provoquer une inhibition de la croissance du micro- organisme. On peut certes travailler en milieu tamponné mais la présence du tampon peut être défavorable à la qualité des solutions obtenues. Par ailleurs, les émulsions eau dans huile stabilisées ne se diluent que très difficilement, ce qui est un inconvénient si l'on envisage d'utiliser directement ces émulsions par exemple pour l'exploitation des gisements pétroliers. e La présente invention a pour but de proposer un procédé de fermentation permettant de réaliser aisément. la croissance des microorganismes en milieu émulsionné. L'invention a également pour but la réalisation d'émulsions stables de biopolymères pouvant contenir Jusqu'à environ 60 % de biopolymère. Le présent procédé de production de polysaccharides par fermentation d'un milieu nutritif aqueux au moyen de micro- organismes est caractérisé en ce que l'on disperse une huile dans le milieu aqueux de manière à former une émulsion huile dans eau au sein de laquelle est réalisée la fermentation. La phase aqueuse continue peut être choisie parmi tous les milieux de fermentation décrits dans la littérature. Des détails peuvent être trouvés par exemple dans les brevets précités US 3 391 060, US 3 433 708 et FR 2 414 555. Le milieu conventionnel contient une source hydrocarbonée qui peut être un sucre ou autre hydrate de carbone, une source d'azote organique et/ou minérale, ainsi que des traces d'éléments et si nécessaire des facteurs de croissance. La concentration en sucre, tel que glucose ou saccharose peut varier entre 10 et 100 g/litre et peut même go atteindre 150 à 200 g/litre. Le microorganisme agent de la fermentation est choisi parmi les bactéries qui fermentent les hydrates de carbone telles que celles décrites dans BERGEY'S MANUAL OF DETERMINATIVE BACTERIOLOGY (8e édition - 1974 Williams N. Wilkins C' Baltimore) et par 3-? exemple Xanthomona begoniae, Xanthomonas campestris, Xanthomonas carotae, Xanthomonas hedera, Xanthomonas incanae, Xanthomonas malvacearum, Xanthomonas papaveri cola, Xanthomonas phaseoli, Xanthomonas pisï, Xanthomonas vasculorum, Xanthomonas vericatoria, Xanthomonas vitians, Xanthomonas pelargonii; les bactéries du genre Arthrobacter et plus particulièrement les espèces Arfhrobacter stabilis, Arthrobacter viscosus; du genre Erwinia; du genre Azotobacter et plus particulièrement l'espèce Azotobacter indicus; du genre Agrobacterium et plus particulièrement les espèces Aerobacterium radiobacter, Agrobacterium rhizogenes, Agrobactertum tumefaciens. Peuvent aussi être utilisés les champignons appartenant au genre Sclerotium. Eo On préfère utiliser parmi ces microorganismes Xanthomonas campestris. En ce qui concerne la phase huileuse, on peut utiliser toute huile minérale ou végétale non miscible à l'eau, par exemple les isoparaffines, le kérosène déodorisé, les hydrocarbures ayant un 4 huiles de colza, de soja, de mais, de tournesol, d'arachide etc... Il est souhaitable que la proportion de phase huileuse représente moins de 30 Z du milieu total, de préference 1 à 18 Z et de manière encore plus préférée 3 à 16 Z. JO La dispersion et la stabilisation de la phase huileuse dans la phase aqueuse sont favorisées par la présence d'agents tensio- actifs, de préférence non ioniques, dont la valeur HLB est préfé- rablement inférieure à 11 et plus préférentiellement comprise entre 6 et 11, cette valeur pouvant être obtenue à l'aide d'un seul tensio-actif ou d'un mélange de tensio-actifs. Le choix et la quantité de tensio-actif nécessaire à l'obtention d'une phase continue aqueuse est facilement déterminable par l'homme de métier en fonction de l'huile choisie et de sa concentration dans le milieu. Comme agent tensio-actif non ionique, on peut faire appel de manière générale à des composés obtenus par condensation d'oxyde d'alcoylène avec un composé organique aliphatique ou alcoyl- aromatique. Des agents tensio-actifs appropriés qui n'inhibent pas la croissance des micro-organismes sont les alcoylphénols polyoxy- r éthylénés, les alcools polyoxyéthylénas, les acides gras polyoxy- - éthylénés, les triglycérides polyoxyéthylénés, les esters poly- oxyéthylénés de sorbitan et d'acides gras. Tous les agents tensio-actifs peuvent être utilisés seuls ou en mélange entre eux. On peut introduire tout ou partie du/des tensio-actif(s), selon leur affinité, dans la phase huileuse ou la phase aqueuse. rç Pour la mise en oeuvre du procédé, il est conseillé de stériliser séparément la phase huileuse et la phase aqueuse. Apres stérilisation et refroidissement, la phase huileuse peut être mélangée dans la phase aqueuse contenue dans le fermenteur ou bien chacune des phases peut être introduite en continu dans le fermenteur sous agitation. Une émulsion stable se forme immédia- tement. L'enisemencement et la fermentation sont ensuite réalisés de manière conventionnelle sous aération et agitation. Au cours de la fermentation, le pH peut etre maintenu à la valeur optimale par injection d'une solution alcaline ou ammoniacale. Il est également 6 possible d'effectuer périodiquement ou en continu des apports de milieu nécessaire à la croissance. A l'issue de la fermentation et selon les applications envisagées, l'émulsion peut être utilisée telle quelle, ou bien la phase aqueuse peut être séparée de la phase huileuse par destabi- eo lisation de manière connue en soi et le moût utilisé & l'état brut, ou bien encore le polysaccharide peut être précipité par exemple par addition d'un alcool inférieur comme l'isopropanol avec ou sans l'aide d'un sel minéral. Le polysaccharide précipité est séparé, lavé de l'huile adsorbée sur les fibres, puis séché et éventuel- lement broyé. On obtient ainsi une poudre prête à l'emploi. Selon un aspect particulier du procédé de l'invention, l'émulsion obtenue après achèvement du processus de fermentation est concentrée par élimination d'eau jusqu'à obtention d'une émulsion contenant 8 à 60 % et de préférence 15 à 60 % en poids de polysaccharides par rapport au poids de l'émulsion. Dans cet aspect de l'invention, la quantité d'huile mise en oeuvre pour la fermentation doit être calculée en fonction de la teneur en matière sèche en fin de fermentation. Il est préférable que la quantité d'huile dans l'émulsion finale ne dépasse pas 45 Z du milieu total. L'élimination de l'eau peut être réalisée par exemple par évaporation ou distillation éventuellement sous pression partielle. Il est possible d'éliminer une partie de la phase huileuse en mélange azéotropique ou non avec l'eau. On peut encore opérer par ultrafiltration en utilisant des techniques et équipements conventionnels à condition évidemment de choisir une membrane pofeuse hydrophile dont les pores sont suffisamment petits pour prévenir le passage du biopolymère à travers la membrane. L'ultrafiltration donne l'assurance de conserver les émulsions en phase continue aqueuse. La concentration par ultrafiltration a encore pour avantage de maintenir les teneurs en sels minéraux de la phase aqueuse à des valeurs voisines de celles présentes dans le Ao moût d'origine, quelle que soit la teneur en polymère. En variante, on peut concentrer l'émulsion d'abord par ultra- filtration, et ensuite par une autre opération, par exemple évaporation ou distillation. Sans se départir de l'étendue de l'invention, on peut A4 dans le milieu émulsionné avec une vitesse réactionnelle normale. La croissance du microorganisme n'est pas perturbée par l'émulsion. - Une économie d'énergie au cours de la phase de croissance, la puissance dissipée pour agiter le milieu étant plus faible. - La possibilité de réguler facilement le pH de la phase aqueuse. - La possibilité de concentrer les émulsions sans inversion de phases et sans précipitation du polysaccharide. Les émulsions huile dans eau obtenues selon le procédé de l'invention sont utiles dans toutes les applications requérant des fluides aqueux viscosifiés comme l'industrie du bâtiment, de la peinture, des cosmétiques, du phytosanitaire, du pétrole, etc... Elles ont pour avantage de pouvoir être mises en oeuvre directement 3j pour la préparation de solutions aqueuses diluées sans qu'il soit nécessaire de passer par une phase d'inversion. Elles se dispersent très bien dans l'eau, leur vitesse de dissolution étant au moins 2575 1 78 égale à celle du moGt d'origine. Elles restent pompables et stables dans un intervalle de concentration très large. Leur viscosité est substantiellement inférieure à celle d'une solution aqueuse contenant une quantité équivalente de biopolymère de sorte qu'il est possible d'avoir des émulsions coulables ou pompables avec des concentrations élevées en polysaccharides dans la phase aqueuse. Du fait de tous ces avantages, les émulsions de l'invention sont particulièrement appropriées pour être-mises en oeuvre sur un champ pétrolifère et pour préparer des fluides aqueux destinés a la récupération assistée du pétrole. Les exemples suivants sont donnés à titre.illustratif et non limitatif de l'invention. Dans tous les exemples, on procède de la manière générale suivante: - La solution nutritive aqueuse est chargée dans le fermenteur et stérilisée. - L'huile contenant s'il y a lieu le(s) tensio-actif(s) est stérilisée et versée sous agitation dans la solution aqueuse contenue dans le fermenteur à température ambiante. - Le milieu est ensemencé avec une préculture de Xanthomonas campestris sur bouillon nutritif MY saccharose à 10 g/l. Exemple 1 Dans un fermenteur de 20 litres, on ensemence avec 210 g de la préculture, 14 litres d'une émulsion H/E stérile contenant en volume 6,25 % de phase huileuse et 93,75 % de phase aqueuse. Composition de la phase aqueuse: Dextrose 61 g/1 Extrait de levure 7 g/l Na2NPO4 Na2EP 4 2,35 g/i (NH4)2 P04 2,2 g/1 NgS04, 7H20 0,35 g/i Composition de la phase huileuse: Hydrocarbure aliphatique désaromatisé 70 Z en poids (Exsol D 100 commercialisé par Esso Chimie) Nonylphénols éthoxylés 30 % " (Mélange 67/33 de Cemulsol NP4 et Cemulsol NP 17 Marques commerciales de la Société SFOS) Valeur HLB: 11 2575 1 7 8 Conditions de fermentation: Température 28 C pH régulé à 7 par addition de soude Agitation 400 rpm r Aération de 0 à 17 heures 0,24 VVM 17 à 23 heures 0,48 VVM 23 à 90 heures 0,98 VVM Fermentation Jusqu'à épuisement total du sucre Durée: 90 heures. L'évolution de la population et la résistivité du milieu au cours du temps sont indiquées dans le Tableau 1. La quantité de matière active obtenue est de 425 g (30,3 g/kg) soit un rendement par rapport au sucre de 56 Z. La viscosité de l'émulsion en fin de fermentation est de 8,1 Ah Pa.s (viscosité Brookfield 20'C - Aiguille n 4 - 30 t/mn)o Exemple 2 On renouvelle l'exemple 1 avec un milieu initial composé de 29 Z en volume d'hydrocarbures Exsol D 100 et 71 Z de phase aqueuse ayant la composition suivante: Dextrose 64 g/1 Extrait de levure 9,24 g/1 Na 2H PO4 3,08 g/l Sa2E P R 3,08 g/1 (NH 4)2 PO4 3,08 g/1 Mg So4, 7H2 - 0,35 g/i 2f Aucun agent tensio-actif n'est ajouté. Les conditions opératoires sont identiques à celles de l'exemple 1, sauf l'aération qui est constamment de 0,98 VVM. La fermentation dure 85 heures, stade auquel il n'y a plus de sucre. L'évolution de la population et la résistivité du milieu sont 3o données dans le Tableau 1. On obtient 330 g de matière active, soit un rendement de 51,3 Z par rapport au sucre. La viscosité de l'émulsion finale est de 10,2 Pa.s (mêmes conditions que Exemple 1). Exemple 3 r L'émulsion H/E initiale est formée à partir de 14,125 litres de phase aqueuse et 0,875 litres de phase huileuse. 257 5 1 78 Composition de la phase aqueuse: Saccharose 85 g/l Extrait de mais soluble (CSL) 25,5 g/l Mg SO4, 7 H20 0,28 g/l fr La phase huileuse contient 70 % en poids d'huile de colza et Z de nonylphénols éthoxylés (CEMULSOL NP4). Valeur HLB: 9 Le milieu est ensemencé comme dans l'exemple 1. Conditions de fermentation: P Température 28 C pH régulé à 7 par addition de soude Agitation de 0 à 17 heures 390 rpm 17 à 24 heures 500 rpm 24 à 84 heures 600 rpm -r Aération de O. à 17 heures 0,92 VVM 17 à 84 heures 1, 4 VVU Puissance dissipée moyenne: 6,09 KW/ms Au bout de 84 heures, on a produit 51 g de gomme xanthane par kg de milieu. Rendement/saccharose consommé: 64 Z. La consistance K (d'après la loi d'Ostwald) du milieu est de 37 pa.s et l'indice de pseudoplasticité n est de 0,195 Par comparaison, un moût aqueux contenant 48,5 g/kg de polymère présente une consistance K de 70 Pa.s et un indice n de 0,24. On poursuit la fermentation Jusqu'à 113 heures. On obtient 66 g/kg de polymère. Rendement/saccharose consommé: 83 Z. Exemples 4 et 5 On réalise deux fermentations dans une émulsion H/E contenant 0,875 litre de phase huileuse et 14,125 litres de phase aqueuse. 3o La composition du milieu est la suivante: Saccharose 8 Z Extrait de mals soluble (CSL) 4 Z Mg SO4, 7 H20 0,05 Z Huile 3,5 Z 3î Tensio-actifs 1,5 % La phase huileuse est constituée d'huile de colza et d'alcools 2575 1 7 8 gras naturels éthoxylés (CEMULSOL AS 5 - Société SFOS) pour l'exemple 4, d'hydrocarbures aliphatiques (EXSOL D 80) et de nonylphénols éthoxylés (mélange 50/50 CEMULSOL NP 4 - CEMULSOL NP'17) pour l'exemple 5. f7 Les conditions de fermentation sont les suivantes: Température: 28 C Aération Agitation O - 17 heures 0,92 VVM 390 rpm après 17 heures 1,39 VVM 500 rpm après 41 heures 1,39 VVM 500 rpm (Ex. 4) 600 rpm (Ex. 5) La fermentation est poursuivie jusqu'à consommation totale du saccharose: Résultats: Exemple 4 Exemple 5 Durée 68 heures 80 heures A-r Matière active 47,4 g/kg 51 g/kg Rdt/Saccharose 60 % 64 % Exemples 6 à 14 A l'aide d'1 ml d'une préculture de Xanthomonas campestris sur bouillon nutritif MY saccharose 10 g/litre, on ensemence 100 ml d'un milieu émulsionné H/E contenu dans un erlenmeyer de 500 ml. La phase aqueuse commune à tous les exemples est identique à celle de l'exemple 3. On fait varier la composition de la phase huileuse. Chaque flacon contient 95 Z en poids de phase aqueuse et 5 % en poids de f phase huileuse. Les flacons sont agités à l'aide d'un agitateur rotatif tournant à 220 rpm avec une amplitude de 5 cm et incubés à 28 C pendant 89 heures. Les résultats sont indiqués dans le tableau II. Tableau 1 Age Xanthomonas Risistivité (heures) UFC/ml d'imulsion t%.cm Ex. 1 Ex. 2 Ex.1Ex.2 8 7 O 1,6 x 10 3,9 x 10 216 8 9 17 4 x 10 3 x 10 216 23 8 x 109 5,4 x 10 370 354 8 10 43 7 x 108 2 x.101 216 354 66 4 x 108 1,2 x 1010 216 277 1 x 10 185 262 TABLEAU 2 Exemple 6* 7 8 9 10 il 12 13 14 Colza 3,5 3,5 Soja 3,5 3,5 Huile** Exsol D 80 3,5 3,5 (g) Isopar M 3,5 3,5 Cemulsol P 4 1,5 i1 0,75 1 0,75 Cemu!sol NP 17 0,5 0,75 0,5 0,75 Tensto- Cemaulsol R 5 1,35 actifs** Cemulsol T 0,15 (g) Cemuliol NP 5 1,5 Cemulsol AS 5 1,5 pI - 6,75 6,2 6,5 6,55 6,35 6,3 5,75 6 5,9 Viscosité *** (mPa.o) 9.600 11.700 7.400 8.7oo 11.100 7.000 10.500 12t900 12.900 _._i. _..,> ,. Sucre consommé g/l 45,6 49,5 60,5 47,2 48,4 54,5 63,3 62,2 67,1 Polymère g/kg 32,4 41,3 33,8 35 36 35,9 41,2 41,2 42,8 Rdt/sucre consohné 71 83 89 74 74 66 65 66 64 * Témoin - Pas d'huile ** Exsol D 80 - Hydrocarbures aliphatiques EBso Chimie Isopar M: Isoparaffines - Esso Chimie Cenmulsôo1 NP 4, tn 5, NP 17: nonylphénols éthoxylês - Setit SPOS Cemulsol R5, AS 5, T alcools oléocétyiiques éthoxylés - Société SPOS *** Brookfield, 20 C, aig. n 4, 30 t/mn Co 2573 1 78 REVENDICATIONS 1. Procédé de production de polysaccharides par fermentation d'un milieu nutritif aqueux au moyen de microorganismes caractérisé en ce que l'on disperse une huile dans le milieu aqueux de manière à former une émulsion huile-dans-eau au sein de laquelle est réalisée la fermentation. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la proportion de phase huileuse représente moins de 30 Z et de pré- férence 1 à 18 Z en poids de l'émulsion. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la A proportion de phase huileuse représente 3 à. 16 Z en poids de l'émulsion. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'émulsion huile dans eau est stabilisée à l'aide d'au moins un agent tensio-actif non ionique. 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'agent tensioactif ou le mélange d'agents tensio-actifs a une valeur HLB inférieure-à 11 et de préférence comprise entre 6 et 11. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le microorganisme est du genre Xanthomonas. 7. Procédé de préparation de polysaccharides par fermentation d'un milieu nutritif aqueux au moyen de microorganismes caractérisé en ce que la fermentation est réalisée au sein d'une émulsion huile dans eau contenant moins de 30 Z en poids de phase huileuse par rapport au poids de l'émulsion, puis après production du polysaccharide, l'émulsion est concentrée par élimination d'eau Jusqu'à obtention d'une émulsion contenant 8 à 60 Z en poids de polysaccharide. 8. Emulsions huile dans eau contenant 3 à 60 parties en poids de polysaccharides. 9. Utilisation des émulsions préparées par le procédé selon l'une des revendications 1 à 7 pour la préparation de fluides aqueux viscosifiés. 10. Utilisation selon la revendication 9 pour la préparation de fluides destinés au traitement des gisements pétroliers, en particulier à la récupération assistée du pétrole.