Brevet FR2637294A1 — publié le 19900406

L'invention concerne un procédé et une installation pour la production par voie enzymatique de jus sucré à partir de végétaux amylacés. On connaît déjà divers procédés et installations permettant la production par voie enzymatique de Jus sucré à partir de végétaux amylacés, tels que le blé, le maïs, le riz, la pomme de terre, etc... Ce jus sucré est soumis ensuite à une fermentation pour la production d'éthanol. Typiquement, ces procédés font intervenir une cuisson de la matière amylacée de départ, préalablement broyée ou non, en vue de gélatiniser cette dernière, une liquéfaction (hydrolyse) de la matière gélatinisée à l'aide d'alpha-amylase, puis une saccharification de la matière liquéfiée à l'aide d'amyloglucosidase . Dans certains procédés, la cuisson et la liquéfaction peuvent être réalisées simultanément et/ou la saccharification peut être combinée avec la fermentation. Par ailleurs, on distingue parmi les procédés connus, ceux dans lesquels la cuisson est effectuée sur une dispersion aqueuse de la matière de départ à basse teneur (15 à 20% en poids) en matière sèche, et ceux dans lesquels la cuisson est effectuée sur une dispersion aqueuse à haute teneur (30 à 40% au maximum en poids) en matière sèche. Ces derniers ont l'avantage d'etre plus économes en énergie requise. L'inconvénient des procédés et des installations connus pour leur mise en oeuvre, est d'être spécifique, ce qui rend les industries concernées sensibles aux fluctuations du marché puisqu'elles ne peuvent transformer qu'un seul type de matière. La présente invention vise à fournir un nouveau procédé pour la production par voie enzymatique de jus sucré, convertible en éthanol, à partir de végétaux amylacés, ainsi qu'une installation pour sa mise en oeuvre, qui présente l'avantage que cette installation peut être adaptée au traitement d'autres matières agricoles non amylacées, par exemple la betterave à sucre, les organes essentiels de cette installation étant polyvalents. Plus précisément l'invention concerne un procédé pour la production par voie enzymatique de jus sucré, fermentescible en éthanol, à partir de végétaux amylacés, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes a) traitement d'homogénéisation d'un broyat de végétal amylacé, additionné éventuellement d'eau, de manière à obtenir une dispersion aqueuse ayant une teneur en matière sèche de 30 à 50% en poids environ, la température au cours du traitement d'homogénéisation ne dépassant pas 600C, b) simultanément, cuisson à une température maximale de 70 à 90"C environ et préhydrolyse liquéfiante à l'aide d'alpha-amylase de la dispersion obtenue en a) dans au moins un pulpeur à haute concentration choisi parmi les types utilisés dans l'industrie papetière, le pH de la dispersion étant de 6 à 7, c) refroidissement du produit obtenu en b) à une température de 55 à 65"C, et d ) hydrolyse saccharifiante à 1 ' de d'amyloglucosidase du produit refroidi résultant de l'étape c) à une température de 55 à 65"C et à un pH de 4 à 5 jusqu'à obtention d'un jus sucré. L'invention concerne aussi une installation pour la production par voie enzymatique de jus sucré, fermentescible en éthanol, à partir de végétaux amylacés, caractérisée en ce qu'elle comprend i) un dispositif d'homogénéisation choisi parmi un dépastilleur du type utilisé dans 1 ' industrie papetière ou un disperseur colloïdal, ii) au moins un pulpeur à haute concentration des types utilisés dans l'industrie papetière, iii) un échangeur de chaleur, et iv) au moins un réacteur d'hydrolyse saccharifiante muni de moyens d'agitation. Dans l'étape a), qui peut être conduite dans un dépastilleur du type utilisé dans l'industrie papetière ou un disperseur colloïdal, on mélange, si nécessaire, de l'eau de dilution à un broyat ou farine du végétal amylacé à traiter en proportions telles qu'on obtienne une dispersion aqueuse, aussi homogène que possible, ayant une teneur en matières sèches de 30 à 50% en poids environ, de préférence supérieure à 40% en poids. De préférence, on utilise un broyat d'une granulométrie inférieure à un millimètre. La production de ce broyat qui peut être spécifique au végétal amylacé de départ, ne fait pas partie de l'invention. Dans l'étape a), on peut aussi bien traiter des végétaux amylacés pauvres en eau, par exemple des farines ou broyats de céréales comme le blé, le maïs, l'orge ou le riz, que des végétaux amylacés riches en eau, comme par exemple la pomme de terre, la patate douce ou le manioc. Dans le premier cas, il y aura lieu d'ajouter de l'eau de dilution au cours du traitement a), tandis que dans le second cas, on pourra s 'abstenir d'introduire de l'eau de dilution, le végétal apportant lui-même sa propre eau de dilution. Dans le cas des végétaux amylacés pauvres en eau, la quantité d'eau de dilution à ajouter se situe habituellement à 90-110 kg/100 kg de farine ou broyat. Dans cette étape d'homogénéisation, on évitera de cuire le mélange à une température trop élevée de façon à ne pas provoquer de gélatinisation intempestive de l'amidon. En effet, cela conduirait à des viscosités élevées qui nécessiteraient soit de surdimensionner le dispositif d'homogénéisation, soit de réduire la teneur en matière sèche. En pratique, on veillera à ce que la température dans l'homogénéiseur n'excède pas 60"C, de préférence 40 CC. Si désiré, on peut introduire tout ou partie de l'enzyme alpha-amylase au cours de cette étape d'homogénéisation. A titre indicatif, on peut utiliser l'alpha-amylase en des proportipns correspondant à environ 20000 à 45000 KNU/tonne d'amidon. 1 KNU ("kilo Novo units") est la quantité d'alpha-amylase qui dégrade 5,26 g d'amidon de référence par heure selon la méthode standard Novo AF 9 . Le substrat de référence est l'amidon soluble Merck Amylum solubile, Erg B.G n" Batch 9947275. Les conditions de réaction de la méthode sont pH = 5,6, température = 37 CC, teneur en calcium = 0,0043M, temps de réaction = 7 à 20 minutes. Des renseignements plus détaillés sur la méthode standard Novo AF 9 peuvent être obtenus auprès de la Société NOVO INDUSTRI A/S.Lorsqu'on utilise comme alpha-amylase le produit Termamyl 120L vendu par la Société NOVO INDUSTRI A/S, on peut utiliser environ 0,1 à 0,3 litre de Termamyl 120L par tonne d'amidon. Dans l'étape b), qui est conduite dans au moins un pulpeur à haute concentration des types utilisés dans l'industrie papetière, on procède à une cuisson des particules d'amidon contenues dans la dispersion aqueuse obtenue dans l'étape a), ce qui provoque un gonflement irréversible (gélification) de celles-ci et favorise leur accessibilité par l'enzyme. Cette cuisson est conduite jusqu'à une température maximale se situant dans la gamme de 70 à 90"C environ en fonction du type d'amidon et de sa granulométrie. La cuisson peut être effectuée par injection de vapeur d'eau dans le pulpeur. Au fur et à mesure que l'amidon se gélifie par suite de la cuisson, l'enzyme alpha-amylase, qu'elle ait été introduite dans le dispositif d'homogénéisation utilisé dans l'étape a) ou qu'elle le soit directement dans le pulpeur, hydrolyse (liquéfie) l'amidon en dextrines ce qui permet d'éviter tout pic de viscosité. Au plan industriel, cela se traduit par une diminution de la puissance mécanique installée. La durée de l'étape b) est généralement courte, habituellement d'une à deux heures. Le produit préhydrolysé résultant doit avoir une viscosité suffisamment faible (par exemple inférieure à 1000 m.Pa.s de façon à pouvoir réaliser les étapes suivantes sans rencontrer de problème rhéologiques. Le maximum d'activité de l'alpha-amylase se situant à un pH de 6-7, il y a lieu de régler, si nécessaire, le pH de la dispersion aqueuse introduite dans le pulpeur dans cette gamme. Par l'expression "pulpeur à haute concentration des types utilisés dans l'industrie papetière", on désigne des appareils utilisés dans l'industrie papetière pour défibrer par désintégration des vieux papiers en vue de fabriquer une pâte pouvant servir à fabriquer des papiers pour ondulés. Ces pulpeurs à haute concentration sont équipés d'un rotor en forme de vis conique ou hélicoïdale tournant à faible vitesse. Des pulpeurs à haute concentration convenables sont commercialisés par les Sociétés LAMORT, BELOIT, BLACK CLAWSON, ESCHER WYSS, TAMPELLA et VOITH, entre autres. On préfère tout particulièrement utiliser le pulpeur à haute concentration "Helico" vendu par la Société LAMORT (51302 Vitry-le-François, France), qui comprend un rotor en forme de vis conique. Dans le cas d'un procédé mis en oeuvre en continu, il y aura lieu de faire fonctionner alternativement au moins deux pulpeurs à haute concentration, ce type d'appareil étant conçu pour un fonctionnement en mode discontinu. Dans le mode de mise en oeuvre continu, après avoir rempli un pulpeur, on laisse macérer le produit pendant 5 à 30 mn et on vide le pulpeur plus rapidement qu'on l'avait rempli de façon à compenser le temps de macération et assurer un fonctionnement moyen continu des pulpeurs. Dans l'étape c), on refroidit le produit préhydrolysé à une température de 55 à 650C environ, compatible avec l'activité de l'enzyme amyloglucosidase utilisé dans l'étape d). L'étape c) sera habituellement effectuée dans un échangeur de chaleur. Ce dernier devra permettre de refroidir un produit pâteux contenant de nombreuses particules insolubles. De préférence, on utilisera un échangeur à espaces d'écoulement larges (par exemple supérieurs à 3 mm). L'étape d) peut être conduite dans au moins une cuve agitée à température contrôlée. Le maximum d'activité de l'amyloglucosidase utilisée dans cette étape se situant à une température de 55-65"C et à un pH de 4 à 5, on règlera les conditions de température et de pH dans ces gammes. Le pH peut être ajusté à l'aide d'un acide tel que l'acide sulfurique, l'acide chlorhydrique, etc... A titre indicatif, la durée de l'étape d) peut aller de 30 à 60 heures, de préférence de 40 à 50 heures. A titre indicatif, on peut utiliser l'amyloglucosidase en des proportions correspondant à environ 70000 à 250000 AGU/tonne d'amidon. 1 AGU (unité amyloglucosidase Novo) est la quantité d'enzyme qui hydrolyse une micromole de maltose par minute à pH 4,3 et à 25"C en 30 minutes, selon la méthode Novo AF 22 au sujet de laquelle plus de détails peuvent être obtenus auprès de la Société NOVO INDUSTRI A/S. Lorsqu'on utilise comme amyloglucosidase, le produit SAN 240L commercialisé par NOVO INDUSTRI A/S, qui est standardisé à 240 AGU/ml, on peut utiliser environ 0,3 à 1 litre de SAN 240L par tonne d'amidon. L'exemple non limitatif suivant, relatif à la conversion de farine de blé en sirop sucré, est donné dans le but d'illustrer l'invention. Dans cet exemple, on a utilisé l'installation-pilote représentée schématiquement sur la figure unique. Cette installation comprend un dépastilleur 1, de marque LAMORT, type C, recevant de la farine de blé additionnée d'eau juste avant son entrée dans le dépastilleur, et de l'enzyme alpha-amylase ; deux pulpeurs 2 à haute concentration de marque LAMORT, type "hélico" pouvant être alimentés alternativement en dispersion aqueuse homogénéisée par le moyen d'une vanne à trois voies 3 et reliés chacun à une arrivée de vapeur d'eau un échangeur de chaleur 4 vendu par la Société BARRIQUAND, du type Platulaire r ; et deux cuves 5 et 6 d'hydrolyse saccharifiante disposées en série, munies d'agitateurs et de moyens de réglage de la température, la première cuve 5 étant reliée à des alimentations en acide sulfurique (servant à régler le pH) et en enzyme amyloglucosidase, et la deuxième cuve 6 étant pourvue à sa base d'une évacuation du sirop sucré. On introduit en continu dans le dépastilleur 1, 130 kg/h de farine de blé et 130 kg/h d'eau de dilution. La composition de la farine est en parties en poids pour 100 parties en poids de farine : 70 parties de glucides de réserve, 15 parties de non sucres, 1 partie d'insolubles glucidiques et 14 parties d'eau. On injecte également en continu dans le dépastilleur de l'enzyme alpha-amylase (Termamyl 120 L vendu par la Société NOVO INDUSTRIE A/S) à raison de 0,16 litre/tonne de glucides de réserve (amidon) contenu dans la farine. La dispersion aqueuse homogène obtenue sort du dépastilleur à 30"C environ et à un débit de 260 kg/heure. Elle est envoyée, en alternance, toutes les heures, dans chacun des pulpeurs 2 par l'intermédiaire de la vanne 3.La température du contenu des pulpeurs est portée à 75"C par injection de vapeur. La liquéfaction résultant de la gélatinisation et de l'action de l'alphaamylase se fait sans que l'on puisse observer- de pic de viscosité. En fin de remplissage de chaque pulpeur on laisse macérer le produit 15 mn avant sa vidange. Compte tenu de l'injection de vapeur, la masse de produit est, en fin d'alimentation des pulpeurs de 285 kg. Le débit de vidange est de 450 kg/h environ. Ainsi le pulpeur venant d'etre utilisé est libéré pour le cycle suivant. Le produit liquéfié de cette façon est refroidi en traversant l'échangeur de chaleur 4 jusqu'à une température de 60"C, puis est envoyé dans le premier des deux réacteurs d'hydrolyse 5 et 6. Dans ce réacteur 5, le pH est réglé à 4,7 par injection d'acide sulfurique.On ajoute également en continu 0,54 1/t de farine d'enzyme saccharifiante. I1 s'agit de l'amyloglucosidase SAN 240 L commercialisée par NOVO INDUSTRI A/S. Le temps de séjour moyen dans les réacteurs est fixé à 48 h. Chaque réacteur contient donc 7,5 m3 environ d'hydrolysat en cours de transformation. Au terme de la transformation, on obtient un rendement de 95% en dextrose (d-glucose) par rapport à l'amidon contenu initialement. La composition du sirop obtenu en parties en poids est la suivante : 100 parties de sucres (équivalent glucose), 19,5 parties de non sucres, 1,3 partie d'insolubles glucidiques, 164,40 parties d'eau, soit une teneur en sucres de 32% en poids. I1 peut être utilisé après dilution directement en fermentation alcoolique. On peut également l'utiliser comme base de production de sirop de glucose alimentaire. On sépare alors les protéines insolubles et les fibres par décantation centrifuge, puis ultrafiltration tangentielle. Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et qu'on pourrait le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Un procédé pour la production par voie enzymatique de jus sucré, fermentescible en éthanol, à partir de végétaux amylacés, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes a) traitement d'homogénéisation d'un broyat de végétal amylacé, additionné éventuellement d'eau, de manière à obtenir une dispersion aqueuse ayant une teneur en matiere seche de 30 à 50% en poids environ, la température au cours du traitement d'homogénéisation ne dépassant pas 60 C, b) simultanément, cuisson à une température maximale de 70 à 90"C environ et préhydrolyse liquéfiante à l'aide d'alpha-amylase de la dispersion obtenue en a) dans au moins un pulpeur à haute concentration choisi parmi les types utilisés dans l'industrie papetière, le pH de la dispersion étant de 6 à 7, c) refroidissement du produit obtenu en b) à une température de 55 à 65"C, et d) hydrolyse saccharifiante à l'aide d'amyloglucosidase du produit refroidi résultant de l'étape c) à une température de 55 à 65"C et à un pH de 4 à 5 jusqu'à obtention d'un jus sucré. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température, dans l'étape a) ne dépasse pas 40"C. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée de l'étape b) est de 1 à 2 heures. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée de l'étape d) est de 30 à 60 heures. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le végétal amylacé de départ est choisi parmi le blé, le maïs, l'orge, le riz, la pomme de terre, la patate douce et le manioc. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le végétal amylacé de départ est le blé, le maïs, l'orge ou le riz, et en ce qu'il est additionné de 90 à 110 kg d'eau pour 100 kg de farine dudit végétal. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité d'alpha-amylase utilisée est d'environ 20000 à 45000 KNU/tonne d'amidon. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité d'amyloglucosidase utilisée est d'environ 70000 a 250000 AGU/tonne d'amidon. 9. Installation pour la production par voie enzymatique de jus sucré, fermentescible en éthanol, à partir de végétaux amylacés, caractérisée en ce qu'elle comprend i) un dispositif d'homogénéisation choisi parmi un dépastilleur du type utilisé dans l'industrie papetière ou un disperseur colloïdal, ii) au moins un pulpeur à haute concentration des types utilisés dans l'industrie papetière, iii) un échangeur de chaleur, et iv) au moins un réacteur d'hydrolyse saccharifiante muni de moyens d'agitation. 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que le pulpeur est un pulpeur comprenant un rotor en forme de vis conique.