Brevet FR2580669A1 — publié le 19861024

L'invention concerne la conversion de'substrats lignocellulosiques en pentoses. Elle concerne aussi l'isolement de ces pentoses. Elle concerne enfin l'hydrolyse enzymatique du substrat en sucres, principalement en glucose. La plupart des substrats lignocellulosiques (bois, plantes annuelles) présente une composition hétérogène dans laquelle on distingue habituellement trois fractions prépondérantes qui sont la cellulose, les hémicelluloses et la lignine. Cette hétérogénéité complique leur valorisation. De ce point de vue, une séparation des hémicelluloses (qui ont une composition en sucres variable mais sont souvent riches en pentoses, notamment xylose) de la cellulose (composée exclusivement de glucose) est d'un grand intérêt car elle permet une valorisation séparée des deux types de constituants. Cet intérêt existe que l'objectif visé soit l'usage chimique ou la fermentation puisque si la plupart des fermentations utilisent bien le glucose issu de lfhydrolyse de la cellulose, moins nombreuses sont celles qui utilisent par exemple les pentoses des hemicelluloses. L'hétérogénéité des substrats lignocellulosiques joue également un rôle important dans la résistance bien connue de ces substrats à l'hydrolyse notamment à l'hydrolyse enzymatique. Pour cette raison, les mécanismes impliqués dans ce phénomène apparaissent comme multiples et mal élucidés mais sont liés notamment à l'état de division du substrat, à la cristallinité de la cellulose et à la présence de lignine. C'est pourquoi des traitements destinés à améliorer la susceptibilité des substrats à l'hydrolyse sont indispensables.Ces traitements sont nombreux et de nature diverse, par exemple chimiques tels que le traitement alcalin à la soude ou physiques tels que le broyage ou encore fréquemment physico-chimiques combinant ainsi divers effets qui influent d'une façon' souvent assez mal connue sur certaines causes de la résistance à l'hydrolyse. On connaît déjà un traitement dit d'explosion à la vapeur d'eau dans lequel le substrat lignocellulosique est soumis pendant un temps variable à l'action de la vapeur d'eau sous pression à une température généralement supérieure à 1500C. Cette action est terminée par une détente explosive. Ce traitement anciennement connu pour l'amélioration de la digestibilité des fourrages augmente également la susceptibilité des substrats lignocellulosiques à l'hydrolyse enzymatique (K.BUCHHOLZ, J. PULS, B. GADELMANN, M.M DIETRICHS, Process Biochemistry, Dec/Jan. 1980/1981, pp 37-43). On a constaté que, au cours du traitement, une fraction des hémicelluloses (composées essentiellement d'arabinoxylane dans le cas des pailles de céréales et des tiges de mais est partiellement hydrolysée et peut être extraite par lavage à l'eau. Après ce traitement, comme illustré dans les exemples présentés ci-dessous, la susceptibilité du substrat résiduel à l'hydrolyse enzymatique est nettement améliorée. La susceptibilité à l'hydrolyse enzymatique est déterminée par un test au cours duquel on effectue, dans des conditions déterminées, l'hydrolyse du substrat, préalablement traité comme indiqué plus haut, par des cellulases produites par le champignon Trichoderma reesei. Cependant, une fraction importante du substrat ainsi traité reste résistante à l'hydrolyse enzymatique. Il a été constaté que l'addition d'au moins un acide, lors du traitement d'explosion à la vapeur, permet une excellente séparation des fractions hémicellulosique et cellulosique. En outre, ce traitement permet aussi d'améliorer sensiblement l'efficacité de ce dernier en ce qui concerne la susceptibilité à l'hydrolyse enzymatique. Le procédé d'explosion à la vapeur en milieu acide conduit donc principalement à - une libération très importante des sucres constitutifs des hémicelluloses, notamment pentoses (xylose et arabinose) et par contre une très faible libération de glucose, ce qui montre que les hémicelluloses (riches en pentose) sont très fortement hydrolysées alors que la cellulose ne l'est que très peu. - une très faible destruction des pentoses lors du traitement. - une amélioration importante de la susceptibilité des substrats lignocellulosiques ainsi traités à l'hydrolyse enzymatique, tant pour la vitesse d'hydrolyse que pour le rendement final d'hydrolyse, les sucres libérés pouvant atteindre des valeurs qui approchent celles correspondant à la libération de la totalité des sucres potentiels contenus dans le végétal soumis au traitement. Ces résultats sont inattendus. En effet, on pouvait espérer une certaine amélioration de l'efficacité de l'hydrolyse enzymatique par addition d'acides du fait de l'effet connu des traitements acides. Cependant comme illustré dans le brevet français 2490 677, les effets précédemment observés sont nettement plus faibles et nécessitent généralement des quantités d'acides plus élevées. L'ensemble de ces résultats rend le procédé de traitement d'explosion à la vapeur en milieu acide particulièrement intéressant non seulement pour l'hydrolyse enzymatique des substrats cellulosiques mais aussi pour des valorisations indépendantes des sucres des hémicelluloses (notamment pentoses) et de la cellulose puisque les hémicelluloses se retrouvent après traitement hydrolysées en monosaccharides sans avoir subi de dégradation importante. Ils peuvent être ainsi facilement séparés par lavage à l'eau du substrat traité puisque seule une très faible quantité de glucose est solubilisée lors du traitement. Un autre avantage lié à la faible dégradation des pentoses est que la formation de certaines catégories de produits susceptibles d'inhiber les fermentations qui seront ensuite effectuées sur les hydrolysats est minimisée. La préparation de ces hydrolysats est également facilitée pour plusieurs raisons. En effet l'obtention d'un hydrolysat ayant une teneur en sucres finale donnée exige la mise en suspension d'une quantité moins importante de substrat traité d'où une suspension moins épaisse permettant une homogénéisation plus facile. De plus la cinétique d'hydrolyse plus rapide permet une réduction des temps d'hydrolyse (ou éventuellement une diminution des quantités d'enzymes utilisées) et la liquéfaction très rapide de la suspension, observée lors de l'hydrolyse, en facilite le maniement. Enfin, le taux d'hydrolyse final plus élevé, outre le gain évident au niveau du rendement, diminue la quantité de résidus solides d'hydrolyse à séparer et favorise la récupération plus complète des sucres hydrolysés.Les résidus solides sont d'une richesse en lignine très élevée, ce qui facilite la valorisation de ce constituant. Le procédé de production de pentoses de l'invention comprend donc un chauffage par la vapeur d'eau en milieu acide, sous pression super atmosphérique, d'un substrat lignocellulosique à une température d'au moins 1500C, de préférence 150-2500C, suivi d'une détente de la pression, permettant l'explosion des particules de substrat. Le substrat obtenu renferme alors les pentoses recherchés. Selon un mode opératoire préféré, on lave ensuite le substrat obtenu et recueille une solution de pentoses. Selon une variante, une partie au moins des pentoses est cristallisée, par exemple par évaporation de leur solution. Selon un autre mode opératoire, le substrat renfermant les pentoses est ensuite soumis à une hydrolyse enzymatique. On 'préfère toutefois d'abord enlever les pentoses par le lavage à l'eau précité et soumettre seulement ensuite le substrat résiduel à ladite hydrolyse enzymatique. Le lavage peut être réalisé en effectuant une ou plusieurs opérations successives de mise en suspension du substrat traité dans de l'eau à une température de 20 à 900C ou par percolation avec de l'eau ou par lavage à contrecourant. La durée du traitement de chauffage en milieu acide est par exemple, de 0,1 à 30 minutes, de préférence de 1 à 5 minutes. I1 n'est pas nécessaire d'amener les substrats à un état de division poussé (pour les pailles de céréales et tiges de mars, un hachage suffit), le point important étant une imprégnation suffisante du substrat par l'acide. Une teneur en humidité du substrat de i'ordre d'au moins 30 % en poids est favorable à l'efficacité du traitement. On utilise typiquement un substrat contenant 30 à 80 % en poids d'humidité, des teneurs plus élevées en eau conduisant à des consommations de vapeur et d'acide plus élevées. Pour ces raisons les machines utilisées pour le traitement d'explosion à la vapeur conviennent bien pour effectuer le traitement de l'invention. Les acides utilisables sont plus particulièrement ceux qui permettent d'atteindre des pH inférieurs à 4, par exemple de 1 à 4, les pH situés entre 3,5 et 2 étant les plus favorables. Les acides forts minéraux conviennent bien pour cet usage, par exemple l'acide sulfurique, le sulfate acide de sodium ou de potassium ou l'acide phosphorique. On préfère l'acide phosphorique du fait de son caractère peu corrosif. Les quantités d'acide sont variables suivant la nature de l'acide, les conditions opératoires (le domaine de température s'étendant de préférence de 150 à 2500C) et la nature du végétal traité. Il a été en effet constaté que le végétal neutralisait une certaine quantité de l'acide utilisé, quantité qu'il était nécessaire de dépasser pour obtenir l'efficacité maximale. On a utilisé selon les cas pour obtenir l'efficacité optimale des quantités d'acides situées entre 0,1 et 3 % du poids de substrat (poids sec). Des quantités supérieures d'acides peuvent encore conduire à un traitement efficace mais entraînant une consommation d'acide plus importante. Les exemples qui suivent illustrent les caractéristiques du procédé objet de la présente invention Exemple 1 1 kg (poids sec) de paille de blé hachée a été trempée 18 h à température ambiante dans 20 1 d'acide sulfurique 0,1 N. Après essorage le taux d'humidité de cette paille était de 70 %. La quantité d'acide utilisée était de 2,4 % (poids par poids de végétal sec), dont 1,7 % a été neutralisé par la paille et 0,7 % représente l'acidité libre imprégnant le végétal. Le pH était de 1,6. Cette paille a été traitée 2 minutes à 14 bars (1950C) dans un appareil de traitement d'explosion à la vapeur d'eau comportant une chambre de pression de 40 1 et un dispositif de décharge explosive après traitement. Après le traitement, le pH du produit était de 2,1.On a dosé les sucres libres sur une dispersion de 100 g (poids sec) de substrat traité. on a trouvé 24,2 g de pentoses et 3,6 g/l de glucose. On a pratiqué l'hydrolyse enzymatique d'une partie du substrat obtenu dans les conditions suivantes Concentration du substrat 100 g (poids sec) par kg de suspension aqueuse ; pH 4,8 ; température : 500. l'enzyme utilisée à raison de 10 unités internationales, "papier filtre" (10 u PF) par gramme (poids sec) de substrat traité a été obtenu par culture en fermenteur de la souche du champignon Trichoderma reesei CL 847. Les sucres libérés lors de l'hydrolyse ont été dosés par chromatographie liquide haute pression (CLHP). Les cinétiques obtenues sont présentées dans la figure 1 qui montre que la totalité des pentoses étaient déjà présents avant l'hydrolyse enzymatique, à l'inverse des autres sucres (glucose et cellobiose). Sur la figure, on donne en ordonnées la concentration en sucres (g/l) et en abscisses le temps en heures (h). Les courbes désignent A = cellobiose B = glucose C = pentoses D = sucres totaux Ces résultats conduisent au bilan présenté dans le tableau 1 pour une hydrolyse de 24 h sur 100 g (poids sec) de substrat à une concentration de 100 g (poids sec) par kg de suspension. TABLEAU 1 I l Quantités I Sucres produits j (g pour 100 g j de I de substrat prétraité) j Cellobiose 7,95 I Glucose 1 27,8 Xylose 1 21,0 I Arabinose 1 3,2 I TOTAL 59,9 Le rendement par rapport à la paille initiale est donc d'environ 60 %. Le tableau 2 exprime les rendements d'hydrolyse par rapport aux sucres potentiels contenus dans la paille initiale, obtenus à partir de la composition en sucres déterminée sur cette paille par les techniques analytiques appropriées (dosage par CLHP d'hydrolysats totaux par voie acide) TABLEAU 2 Sucres Sucres de Rendement potentiels de l'hydrolysat d'hydrolyse la paille (g)* (g)* % Hexosanes 41,3 33 79,85 I I I j Pentosanes I 23,5 1 21,3 1 90,7 j TOTAL 64,8 54,3 83,8 exprimés en anhydroglucose et anhydropentoses pour 100 g de paille Par comparaison, on a traité par explosion à la vapeur un échantillon de la même paille sans imprégnation acide et en utilisant les conditions préalablement optimisées du traitement dans ce cas qui sont de 2 minutes à 21 bars (T = 2150C) Après hydrolyse enzymatique dans des conditions identiques à celles précédemment décrites, les résultats suivants ont été obtenus : 30,6 g de sucres libres totaux (dont 21 g de glucose et 9,6 g de xylose) ont été produits à partir de 100 g (poids sec) de paille. Le cellobiose et l'arabinose n'étaient présents qu'en quantités négligeables dans ces hydrolysats. On a par ailleurs pratiqué sur un autre échantillon de 100 g (poids sec) de la paille traitée par explosion à la vapeur en milieu acide, comme décrit plus haut, une extraction des sucres libérés lors du traitement par trois lavages successifs de 200 ml d'eau à 700. On a ainsi récupéré une solution contenant 21,3g de pentoses (20g de xylose et 2,6g d'arabinose) et seulement 2,6g de glucose. Ces résultats correspondent à une récupération de 86,5% de pentoses potentiels contenus dans la paille initiale, le glucose extrait ne correspondant pour sa part qu'à 5,6 % du glucose potentiel. Ces valeurs illustrent donc la sélectivité de la solubilisation des pentoses par le traitement d'explosion à la vapeur en milieu acide. Exemple 2 On a traité des tiges de mals (conservées par ensilage après collecte effectuée après récolte du grain), selon le protocole d'explosion à la vapeur en milieu acide déjà décrit à l'exemple 1 pour la paille de blé et dans les conditions d'imprégnation acide suivantes 1300 g de tiges de mals hachées (matière sèche 38 %) ont été trempées 18 h à température ambiante dans 9 1 d'une solution d'acide sulfurique 0,1 N. Après essorage la quantité d'acide utilisée était de 1 Y en poids, représentant uniquement l'acidité libre imprégnant le végétal. En effet, lors du trempage acide des tiges de mals, on n'a pas observé le phénomène de neutralisation constaté au cours du traitement de la paille de blé. Le pH du produit avant explosion à la vapeur était de 1,4 et de 2,1 après ladite explosion. On a obtenu un produit renfermant 26 g de pentoses libres pour 100 g de substrat sec. L'hydrolyse enzymatique pratiquée selon les conditions décrites dans l'exemple 1 conduit au bilan présenté dans le tableau 3 TABLEAU 3 Sucres produits g pour 100 g de substrat sec Cellobiose 7,3 Glucose 27,4 Xylose 22,7 Arabinose 3,5 TOTAL 60,9 Exemple 3 On a traité dans les mêmes conditions que celles de l'exemple 1 la paille de blé après trempage dans une solution de sulfate acide de sodium 0,1 M. Le pH du produit avant traitement était de 2,2 et après traitement de 2,4.La quantité de sel acide utilisé est de 7 % en poids dont 4,7 % est utilisé en agent neutralisant. Le produit renfermait 20,6 g de pentoses pour 100 g de substrat sec. Le bilan sucres résultant de l'hydrolyse enzymatique est le suivant TABLEAU 4 Sucres produits g pour 100 g de substrat secî Cellobiose 1,9 Glucose I 31,2 I J Xylose 1 18,1 1 I Arabinose I 2,5 Exemple 4 Mêmes conditions que pour l'exemple 1 avec une imprégnation par H3P04 0,1 N. Le pH avant traitement est de 2,8 et de 3 après traitement. La consommation en acide est de 4 % en poids dont 3,4 % pour la fonction neutralisante. Le produit renfermait 21 g de pentoses pour 100 g de produit sec. Le bilan sucres après hydrolyse enzymatique est le suivant TABLEAU 5 Sucres produits pour 100 g de substrat sec Cellobiose 1,4 1 Glucose 1 29 Xylose 18,5 Arabinose 2,4 J TOTAL 51,3 REVENDICATIONS 1. Procédé de conversion de substrats lignocellulosiques en pentoses, caractérisé en ce qu'il comprend un chauffage par la vapeur d'eau, en milieu acide, sous pression superatmosphérique, d'un substrat lignocellulosique à une température d'au moins 1500C, suivi d'une détente de la pression, permettant l'explosion des particules de substrat, le produit obtenu renferment les pentoses recherchés. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on soumet le produit obtenu à une extraction à l'eau, et l'on recueille une solution de pentoses. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel on évapore l'eau de la solution de pentoses et l'on recueile les pentoses à l'état solide. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on soumet le produit obtenu à une hydrolyse enzymatique, et l'on recueille un mélange de pentoses et de glucose. 5. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le substrat, après séparation de la solution de pentoses, est soumis à une hydrolyse enzymatique, et l'on recueille du glucose. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le chauffage par la vapeur d'eau est effectué à 150-2500C et le substrat soumis audit chauffage renferme 30 à 80 % en poids d'eau. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le pH lors du chauffage acide est de 1 à 4. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'acidité est conférée par addition d'acide sulfurique, d'acide phosphorique, de sulfate acide de sodium ou de sulfate acide de potassium. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la quantité d'acide est de 0,1 à 3 % du poids (sec) de substrat. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel la durée du chauffage est de 1 à 5 minutes.