Brevet FR2609046A1 — publié le 19880701

PROCEDE DE PRODUCTION D'ETHANOL EN CONTINU PAR HYDROLYSE A FROID ET FERMENTATION SIMULTANEES D'UN SUESTRAT AMYLACE BROYE La présente invention se rapporte a un procédé de production d'éthanol en continu, par hydrolyse et fermentation simultanées d'un substrat amylacé broyé, l'hydrolyse ayant lieu a une température inférieure au point de gélification dudit substrat qt étant éffectuée par voie enzymatique, et la fermentation étant effectuée par des levures. On connaît, notamment par le brevet français n' 80-21063 déposé le ler octobre 1980, un procédé pour la production en continu d'éthanol, suivant lequel une hydrolyse de l'amidon, qui est menée en deux étapes et à haute température, précède la fermentation. Conformément a ce procédé, on introduit, dans un réacteur, du blé broyé humidifié, on injecte dans la suspension de l'alpha-amylase et on chauffe à des températures comprises entre 60 et 140-C. Ensuite, on refroidit à 60-80'C et on ajoute de la glucoamylase qui produit l'hydrolyse en une quinzaine d'heures. Enfin, on procède à la fermentation pour produire l'alcool. Conformément à une variante, qui a été proposée pour ce type de procédé, la fermentation est réalisée dans plusieurs cuves disposées en cascade. Pour réduire la dépense énergétique, qui est très importante dans le procédé de cuisson de la matière amylacée, on a cherché a produire l'éthanol en travaillant à froid Cc'est-à-dire à une température inférieure a la température de gélification de l'amidon > pour effectuer l'hydrolyse. Ainsi, il est décrit, dans la demande de brevet français n 2 496 121, un procédé pour produire de l'alcool, qui consiste à mélanger une matière amylacée broyée avec une liqueur de trempage dans des proportions telles que le rapport pondéral du liquide de trempage a la matière amylacée broyée soit compris entre 1,8 et 3,4 pour former une suspension, sans cuire la suspension et sans ajuster le pH de la suspension, à ajouter à cette dernière une préparation enzymatique saccharifiante dérivant d'une source de micro-organisme, ou du malt, ou les deux, à introduire une levure de fermentation alcoolique, puis à faire fermenter la suspension.Ce procédé maîtrise l'hydrolyse et la fermentation simultanées a 30'cl Cependant, il s'agit d'un procédé par lots : on charge le réacteur avec le grain broyé, la levure et les enzymes et, lorsque la fermentation est terminée, on vide le réacteur et on recommence les opérations. Des tentatives ont toutefois été effectuées pour réaliser en continu l'hydrolyse & froid et la fermentation, ces deux opérations étant toujours réalisées de façon simultanée. C'est en effet un système de ce type qui, si on peut véritablement le mettre en oeuvre sur le plan industriel, pourra présenter le plus grand intérêt, car apportant les avantages suivants - réduction du court d'investissement, par suite de la suppression du matériel de cuverie, des échangeurs et des pompes qui sont nécessaires dans une hydrolyse à chaud - réduction de la dépense énergétique - augmentation de la productivité à volume égal, du fait du fonctionnement en continu et de la suppression du temps d'hydrolyse - réduction du coût du matériel de contrôle par fonctionnement à point de consigne fixe. Cependant, les tentatives qui ont été effectuées jusqu'ici n'ont pas donné de résultats satisfaisants pouvant conduire à une application du procédé à l'échelle industrielle. On mentionne ainsi dans la littérature une concentration en éthanol de l'ordre de17 g/l, cette concentration étant véritablement insuffisante pour une production industrielle. La présente invention apporte une solution au problème précité ; en effet, les présents inventeurs ont trouvé des conditions de fonctionnement stable assurant la survie des levures, l'hydrolyse à vitesse correcte de l'amidon et sa fermentation, ainsi que le maintien des concentrations convenables en enzymes. Les concentrations en éthanol que l'on peut alors obtenir sont supérieures à 48 g/l, et peuvent même atteindre la valeur de 80 g/l, ce qui représente un résultat tout à fait surprenant, si l'on considère le peu de succès des tentatives qui avaient été effectuées au préalable. La présente invention a donc pour objet un procédé pour la production d'méthanol en continu suivant lequel - on utilise, dans un récipient, un substrat amylacé broyé, un liquide de trempage, une préparation enzymatique susceptible de libérer des sucres fermentescibles et une levure de fermentation alcoolique - on maintient, dans ledit récipient, une température inférieure à la température de gélification du substrat amylacé considéré - on soutire, après hydrolyse et fermentation, les jus de fermentation obtenus - on sépare desdits jus de fermentation, une partie des drêches, que l'on recycle dans ledit récipient, - on soumet les jus restants ainsi clarifiés à une distillation afin de recueillir l'éthanol - on recycle les vinasses de distillation dans le récipient ou elles constituent une fraction du liquide de trempage, caractérisé par le fait qu'on regle la concentration en substrat amylacé broyé, exprimée en matières sèches, à une valeur comprise entre 50 et 400 g/litre de milieu de fermentation ; qu'on fixe un temps de séjour dudit milieu de fermentation dans ledit récipient å une valeur comprise entre 10 et 40 heures ; qu'on règle le pH du milieu de fermentation à une valeur comprise entre 3 et 5,5 ; qu'on maintient la température au sein dudit milieu de fermentation à une valeur comprise entre 28 C et une température inférieure a la température de gélification du substrat amylacé considéré ; qu'on règle l'activité enzymatique totale, provenant de la préparation enzymatique introduite dans ledit récipient et des enzymes restantes se trouvant dans les vinasses recyclées, & une valeur constante correspondant à une production minimale de 7,5 g de glucose/litre/heure ; et qu'on règle la concentration en levure dans le milieu de fermentation 9 une valeur telle que la concentration en sucre fermentescible résiduelle soit inférieure à 1 g/l. Conformément à une première variante du procédé selon la présente invention, on réalise une extraction totale de l'éthanol des Jus de fermentation clarifiés. Conformément à une autre variante du procédé selon la présente invention, on réalise une extraction partielle de l'éthanol des jus de fermentation clarifiés. Dans ces conditions, on retrouve, dans les vinasses recyclées, une fraction d'éthanol, dont on estime qu'elle est très favorable à la bonne marche du procédé selon l'invention. Comme préparation enzymatique, on utilise, de préférence, de la glucoamylase, éventuellement en mélange avec au moins l'une parmi l'alpha-amylase et la pullulanase. On peut avantageusement utiliser, comme préparation enzymatique, des bouillons de culture de microorganismes du genre Aspergillus et Rhizopus, ou des extraits de ces bouillons de culture, qui renferment au moins l'une des enzymes précitées. Conformément à la présente invention, on utilise, comme substrat amylacé, une céréale (blé, maïs, sorgho, orge, riz, etc.) ou une racine cultivée amylacée , ou une farine, ou bien l'amidon qu'on en a extrait. Selon l'invention, on réalise la séparation des drêches par centrifugation, ultrafiltration, cyclonage ou décantation. Conformément à un mode de réalisation particulièrement intéressant du procédé selon l'invention, on réalise une pré-hydrolyse du substrat amylacé broyé dans une cuve de chambrage disposée en ampnt du récipient d'hydrolyse et de fermentation, ledit substrat amylacé, le liquide de trempage comportant les vinasses recyclées et la préparation enzymatique, étant introduits dans ladite cuve de chambrage. De préférence, on maintient, dans cette cuve de chambrage, une température comprise entre 40'C et une température inférieure à la température de gélification du substrat amylacé considéré. Egalement, on préfère réaliser un malaxage du mélange qui est introduit dans le cuve de chambrage. Pour mieux faire comprendre l'objet de la présente invention, on va en décrire ci-après, à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, un mode de réalisation particulier, en référence à la figure unique du dessin annexé, qui est une représentation schématique de l'installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. Cette installation comprend un récipient 1, en acier inoxydable, qui présente une capacité utile de 100 litres et qui comporte une double enveloppe dans laquelle circule alternativement de l'eau froide et de l'eau chaude pour assurer la régulation de la température du milieu. Sur le couvercle dudit récipient 1, sont adaptées une tubulure 2 pour l'introduction de la farine, une tubulure 3 pour l'introduction d'eau comme liquide de trempage, ainsi qu'une tubulure 4 pour l'introduction de la préparation enzymatique. Les Jus de fer.mentation.sont soutirés du récipient 1 par la tubulure 5 qui est reliée à un séparateur 6, qui peut consister en un appareil de centrifugation, d'ultrafiltration, de cyclonage ou de décantation, et duquel est extrait, d'une part, le vin délevuré par la canalisation 7, et, d'autre part, les drêches, par la canalisation 8. Sur cette canalisation 8, est branchée la canalisation 9 pour l'élimination d'une partie des drêches, ladite canalisation 8 conduisant alors à la partie supérieure du récipient 1 par sa branche 8 située en aval du point de branchement de la canalisation 9. La canalisation 7 est reliée à la partie inférieure d'une colonne de distillation 10, à la partie supérieure de laquelle on extrait l'alcool, par une canalisation 11,eut au fond de laquelle est reliée une canalisation de purge 12, sur laquelle est branchée une canalisation 13 de recylage des vinasses, ladite canalisation 13 étant reliée a la canalisation 3 pour l'introduction de l'eau dans le récipient 1. Mode opératoire général Pour un volume utile de 100 litres dans le récipient 1, - la farine est introduite a raison de 1 à 3 kg/heure - l'eau et les vinasses recyclées sont introduites à raison de 1 à 3 kg/heure - l'enzyme utilisée est la glucoamylase éventuellement en mélange avec de la pullulanase - la concentration des enzymes est maintenue dans le réacteur à des valeurs comprises entre 0,2 et 5 unités glucoamylasiques/ml, ces unités étant définies selon la méthode de Smith et Roe - la concentration en levure dans le récipient 1 peut être comprise entre 20 et 35 g/l. Dans ces conditions, la concentration en alcool dans le vin délevuré peut être comprise entre 48 et 80 g/l. EXEMPLE On introduit dans le récipient 1 de la farine de blé, type 55, la trémie d'introduction de la farine étant réglée pour un débit de farine de 1,5 kg/heure, compte tenu du réglage du séparateur 6. Une pompe injecte une solution titrant 337 unités glucoamylasiques/ml, définies comme indiqué ci-dessus, avec un débit de 50 ml/heure. Les vinasses issues de la colonne à distillation 10 sont diluées par de l'eau et réinjectées dans le fermenteur par une pompe dont le débit est réglé à 1,5 1/heure. Dans le fermenteur, les réactions d'hydrolyse et de fermentation sont couplées, de telle sorte que tout le sucre libéré soit immédiatement converti en alcool par les levures. Les réactions sont conduites à 32'C, le pH étant maintenu a 4,2 par addition automatique de soude. On 8 observe alors une population comportant 6 x 108 levures/ml. il n'y a pas de contaminants observables. Le sucre libre dosé par la méthode à la glucose oxydase est inférieur à 1 gil. L'alcool dosé par chromatographie en phase gazeuse est à une concentration de 68 g/l. La chromatographie en phase gazeuse permet d'évaluer les sous-produits de la fermentation. Aucun pic de méthanol n'a pu être mis en évidence. Le niveau est maintenu constant dans le récipient 1 par débordement. Le milieu contenant les levures, l'amidon et l'alcool est envoyé sur le séparateur 6 ayant pour but de le clarifier. L'amidon non transformé et les levures sont recyclés dans le récipient 1. Lorsque le pourcentage de levures mortes atteint 30%, une purge est effectuée au niveau du séparateur et on les récolte sous forme de drêches. Le vin clarifié est envoyé dans la colonne à distiller 10 pour l'extraction de l'alcool. Les vinasses épuisées sont recyclées. La durée totale de la transformation de l'amidon en alcool est de 20 heures. Le procédé qui vient d'être décrit a été vérifié par des campagnes de fonctionnement continu de 1400 heures. Il est bien entendu que le mode de réalisation cidessus décrit n'est aucunement limitatif et pourra donner lieu à toute modification désirable, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la production d'éthanol en continu suivant lequel - on utilise, dans un récipient, un substrat amylacé broyé, un liquide de trempage, une préparation enzymatique susceptible de libérer des sucres fermentescibles, et une levure de fermentation alcoolique - on maintient, dans ledit récipient, une température inférieure å la température de gélification du substrat amylacé considéré - on soutire, après hydrolyse et fermentation, les jus de fermentation obtenus - on sépare desdits jus de fermentation, une partie des drêches que l'on recycle dans ledit récipient, et,;; - on soumet les Jus restants ainsi clarifiés à une distillation afin de recueillir l'éthanol - on recycle les vinasses de distillation dans le récipient où elles constituent une fraction du liquide de trempage, caractérisé par le fait qu'on règle la concentration en substrat amylacé broyé, exprimée en matières sèches, à une valeur comprise entre 50 et 400 g/litre de milieu de fermentation ; qu'on fixe un temps de séjour dudit milieu de fermentation dans ledit récipient à une valeur comprise entre 10 et 40 heures ; qu'on règle le pH du milieu de fermentation à une valeur comprise entre 3 et 5,5 ; qu'on maintient la température au sein dudit milieu de fermentation å une valeur comprise entre 28 C et une température inférieure å la température de gélification du substrat amylacé considéré ; qu'on règle l'activité enzymatique totale, provenant de la préparation enzymatique introduite dans ledit récipient et des enzymes restantes se trouvant dans les vinasses recyclées, a une valeur constante correspondant à une production minimale de 7,5 g de glucose/litre/heure ; et qu'on règle la concentration en levure dans le milieu de fermentation à une valeur telle que la concentration en sucre fermentescible résiduelle soit inférieure à 1 g/l, 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on réalise une extraction totale de l'éthanol des Jus de fermentation clarifiés. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on réalise une extraction partielle de l'éthanol des jus de fermentation clarifiés. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'on utilise, comme préparation enzymatique, de la glucoamylase éventuellement en mélange avec au moins l'une parmi l'alpha-amylase et la pullulanase. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'on utilise, comme préparation enzymatique, des bouillons de culture de micro-organisme du genre Aspergillus et Rhizopus, ou des extraits de ces bouillons de culture, qui renferment au moins l'une des enzymes précitées. 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'on utilise, comme substrat amylacé, une céréale, une racine cultivée amylacée, ou une farine, ou bien l'amidon qu'on en a extrait. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'on réalise la séparation des drêches, par centrifugation, ultrafiltration, cyclonage ou décantation. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'on réalise une pré-hydrolyse du substrat amylacé broyé dans une cuve de chambrage disposée en amont du récipient, ledit substrat amylacé, le liquide de trempage comportant les vinasses recyclées et la préparation enzymatique étant introduits dans ladite cuve de chambrage. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'on maintient, dans la cuve de chambrage, une température comprise entre 40-C et une température inférieure å la température de gélification du substrat amylacé considéré. 10 - Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé par le fait qu'on réalise un malaxage du mélange qui est introduit dans la cuve de chambrage.