Brevet FR2808796A1 — publié le 20011116

L'invention concerne la production d'acides a-co dicarboxyliques. Les acides dicarboxyliques sont des molécules importantes pour la production des polyesters et des polyamides, et aussi pour la fabrication d'adhésifs, de muscs, d'antibiotiques (dans la famille des macrolides), etc... A l'heure actuelle, l'offre en acides a-CO dicarboxyliques est limitée, car la synthèse chimique des acides #-(o dicarboxyliques saturés est complexe, et celle des acides (x-co dicarboxyliques insaturés est pratiquement inexistante. L'obtention d'acides #-w dicarboxyliques se fait essentiellement à partir des matières premières suivantes: - les acides gras insaturés obtenus par hydrolyse des huiles et des graisses ; - des hydrocarbures. En particulier, l'obtention d'acides a-0) dicarboxyliques se fait par ozonolyse des acides gras monoinsaturés. Les principaux produits obtenus sont l'acide azélaïque (C9) obtenu essentiellement à partir de l'acide oléique (cis-9 octadécèneoïque), ou l'acide brassylique (C1,) obtenu par ozonolyse de l'acide érucique (cis-13 docosèneoïque). Cependant, on observe que les rendements pondéraux restent relativement faibles en acides dicarboxyliques obtenus à partir des acides gras mono insaturés, de sorte que de nombreux spécialistes travaillent actuellement à mettre au point d'autres méthodes de production. D'autres acides a.-co dicarboxyliques saturés sont obtenus à partir de produits fossiles, et ces acides se limitent essentiellement dans la pratique à l'acide adipique (C6) préparé à partir de l'oxydation du cyclohexane. Cet acide est utilisé pour la production d'adiponitriles puis d'hexaméthylènediamine. on sait par exemple que cette dernière molécule peut être condensée avec l'acide adipique pour donner le nylon 6,6. Un autre acide dicarboxylique à chaîne non linéaire, qui est l'acide téréphtalique (acide benzène-dicarboxylique-1,4), préparé par oxydation du paraxylène, est utilisé pour la production de polyesters. On doit cependant constater que l'offre en acides #-ù) dicarboxyliques saturés et insaturés est encore très limitée, alors que leur potentiel est important dans la production des polyamides, polyesters, d'adhésifs, de muscs, d'antibiotiques (famille des macrolides). Les principaux acides a-o dicarboxyliques sont produits par l'industrie pétrolière (acide adipique C6, acide dodécanedioïque Cl,) et par l'industrie des corps gras (acide azélaïque C9, acide sébacique Cl, acide brassylique Cl,). Les acides C9 et ci, résultent de l' ozonolyse des acides oléique et érucique, et l'acide Cl, résulte de la fusion alcaline de l'acide linoléique. D'autres méthodes chimiques d'oxydation des acides gras saturés et insaturés par voies catalytiques, mettant en oeuvre des métaux de transition (ruthénium et rhénium) en présence d'eau oxygénée ou d'acide paracétique, sont proposées comme alternatives aux procédés d'ozonolyse. D'autres méthodes encore, telles que les méthodes biologiques, conduisent à la transformation de n-alcanes ou d'acides gras. On pourra à ce titre se référer au document US-A-4 339 536 enseignant l'utilisation de tridécane comme matière première de départ. Cette technique résulte des progrès effectués dans la séparation des n-alcanes par tamis moléculaire, et elles permettent en particulier d'obtenir de l'acide brassylique par fermentation de n- tridécane par une souche de Candida tropicalis, avec un rendement de fermentation compris entre 90 et 95 % en poids, mais avec un coût de matière première qui est tel que l'acide brassylique produit est pratiquement exclusivement réservé à la production de musc T (ester éthylèneglycolique de l'acide brassylique). On pourra également se référer aux articles publiés dans la revue The journal of biological chemistry - Vol. 273, pages 32528 à 32534, Décembre 1998, et dans la revue BIOTECHNOLOGY-Volume 10, pages 894 à 898, Août 1992, pour expliquer les voies métaboliques conduisant à la transformation des n-alcanes et des acides gras en acides #-o dicarboxyliques. On sait que l'hydroxylation en position w des acides gras saturés ou insaturés est assurée par une monooxygénase à cytochrome P450, cette hydroxylation conduisant à un w-hydroxyacide étant suivie de deux déshydrogénations aboutissant à la fonction carboxylique en position Le processus se déroule comme suit CH:,- (CH.) n COOH hydroxylase ) HO-CHZ- (CH,) "-COOH alcool déshydrogénase ) OCH (CH,) "-COOH Aldéhyde déshydrogénase @ HOOC- (CH,) R-COOH . On a en effet constaté que de nombreuses souches de bactéries et levures sont capables de produire des acides a-ci dicarboxyliques, de telles souches étant isolées ou obtenues par mutagénèse aux rayons X, aux rayons ultraviolets, ou aux agents mutagéniques. Les articles précités décrivent en détail différents travaux de biologie moléculaire qui ont pu être menés, conduisant à l'amplification des gênes codant respectivement pour la cytochrome P450 mono-oxygénase, et la NADPH oxydo-réductase. I1 s'agit de gênes codant pour les deux composants du système hydroxylasique qui est généralement reconnu comme étant l'étape limitante de l'oxydation primaire des substrats n-alcanes et acides monocarboxyliques. L'invention a pour objet de concevoir un nouveau procédé de production d'acides a-w dicarboxyliques qui soit plus économique que les procédés actuels utilisant des acides gras ou des hydrocarbures purs comme matière première, et qui soit également capable d'obtenir des acides a-CO dicarboxyliques insaturés, lesquels sont pratiquement introuvables sur le marché actuel, alors qu'ils sont susceptibles d'apporter des propriétés fonctionnelles nouvelles dans les polymères et les additifs. Conformément à l'invention, le procédé de production d'acides a-ci dicarboxyliques est remarquable par le fait qu'on utilise comme matière première un mélange d'esters méthyliques obtenu par méthanolyse d'huiles ou de graisses, ledit mélange sous forme liquide étant transformé par fermentation en acides a-o dicarboxyliques. C'est la première fois que l'on met en oeuvre une biotransformation des mélanges d'esters méthyliques obtenus par méthanolyse des huiles ou corps gras en acides (x-co dicarboxyliques. L'utilisation d'un mélange d'esters méthyliques comme matière première apparaît extrêmement séduisante en terme de coût de production dans la mesure oû le prix de la matière première semble être du même ordre de grandeur que le prix de la matière première fossile. La biotransformation des esters méthyliques est facilitée par le fait que leur point de fusion est inférieur à ceux des acides gras correspondants, leur utilisation sous forme liquide en fermentation étant alors favorisée. On sait que les huiles et les graisses, également appelées corps gras ou matières grasses, appartiennent à un ensemble complexe de composés organiques naturels, qui sont les lipides. Les huiles se distinguent des graisses par leur consistance à température normale . les huiles sont liquides, tandis que les graisses sont pâteuses ou solides. En outre, les huiles et graisses sont solubles dans de nombreux solvants organiques. En règle générale, la solubilité des huiles est plus grande que celle des graisses. Les huiles et graisses sont des esters d'acides gras et de glycérol, appelés glycérides, accompagnés de constituants mineurs qui forment l'insaponifiable. Les glycérides représentent 98 à 99 du poids, et l'insaponifiable 1 à 2 s seulement. Les acides gras forment à peu près 95 % de la masse des glycérides. En général, on classe ces acides gras en trois catégories, à savoir les saturés, les monoinsaturés (une double liaison), et les polyinsaturés (plusieurs doubles liaisons). A quelques exceptions près, les acides gras ont une chaîne droite et un nombre pair d'atomes de carbone. Dans les acides gras éthyléniques, les doubles liaisons sont toujours cis. Celles-ci sont séparées par un groupe méthylène dans les polyinsaturés. Le point de fusion des acides gras explique l'état physique des huiles et des graisses. Les graisses comportent enfin une forte proportion de composés saturés, alors que les huiles sont riches en mono-et polyinsaturés. Ainsi que cela a été dit plus haut, on utilise comme matière première, dans le procédé selon l'invention, un mélange d'esters méthyliques obtenu par méthanolyse d'huiles ou de graisses. I1 convient de rappeler que la méthanolyse d'un corps gras, dans le méthanol en présence d'un catalyseur, fournit les esters méthyliques et le glycérol. La réaction est alors du type (R-C00), C, HS + 3CH,OH -> 3R-COOCH, + C,Hs (OH), I1 s'agit d'une réaction d'estérification classique. Les corps gras utilisés pour la production d'esters méthyliques doivent en l'espèce être peu acides, et l'on utilisera de préférence des huiles industrielles spéciales (ricin, lin, colza, etc...), du suif et des huiles de poisson, ou encore des huiles lauriques (coprah, palmiste). Les esters méthyliques s'imposent peu à peu comme grands intermédiaires oléochimiques. Ceci amène à penser que les esters remplaceront à l'avenir de plus en plus les acides, ceci pour les raisons suivantes - le stockage des esters est plus facile que celui des acides gras, et leur conservation est meilleure ; - leur point de fusion étant plus bas, ils sont liquides la plupart du temps, ce qui facilite leur utilisation ; - leur fractionnement par distillation est plus efficace ; - les esters sont moins corrosifs que les acides vis-à-vis des installations en acier non oxydable ; - le coût énergétique de production des esters est moindre, et le procédé est amorti par la récupération du glycérol, qui est plus aisée par méthanolyse que par hydrolyse. L'invention met clairement en évidence le fait que les modifications des acides gras sous forme d'esters méthyliques, par des méthodes microbiologiques, peuvent constituer une alternative très importante aux techniques pétrochimiques pour la production des acides a-(O dicarboxyliques saturés ou insaturés, compte tenu du fait que les biotransformations respectent les doubles liaisons. La transformation d'esters méthyliques en acides #-w dicarboxyliques par des méthodes microbiologiques peut ainsi constituer une alternative très séduisante à l'utilisation de matières premières fossiles. On va maintenant décrire plus en détail des modes de mise en oeuvre particuliers du procédé de production d'acides a-w dicarboxyliques selon l'invention, et mentionner quelques exemples à titre illustratif. Ainsi que cela a été dit plus haut, le procédé de l'invention est remarquable par le fait que l'on utilise comme matière première un mélange d'esters méthyliques obtenu par méthanolyse d'huiles ou de graisses, ledit mélange sous forme liquide étant transformé par fermentation en acides a-#D dicarboxyliques. On pourra en particulier prévoir que le mélange d'esters méthyliques utilisé est obtenu par méthanolyse d'huiles ou de graisses au moins partiellement (totalement ou partiellement) hydrogénées, ou qui proviennent d'organismes génétiquement modifiés (OGM). En outre, la fermentation comporte de préférence une étape initiale de croissance du micro-organisme au pH optimum de croissance de la souche utilisée pour la fermentation, soit plus précisément un pH allant de 3 à 5 pour les levures et champignons et de 6 à 7 pour les bactéries, cette étape initiale de croissance étant suivie d'une étape de biotransformation des esters méthyliques qui est quant à elle effectuée à un pH essentiellement compris entre 7 et 8,5. On pourra prévoir que la souche utilisée pour la fermentation croît sur un co-substrat en présence des esters méthyliques destinés à la production d'acides a-co dicarboxyliques. Ce co-substrat pourra par exemple être choisi dans le groupe comportant le glucose, le saccharose, le glycérol, ou toute autre source de carbone et d'énergie, simple ou en mélange, utilisable par la souche concernée pour la croissance de ladite souche. De préférence, la souche utilisée pour la fermentation est une souche microbienne appartenant au genre Candida, et en particulier la Candida tropicales. Ainsi, les souches des micro-organismes utilisés, et en particulier les souches de Candida tropicales ayant la capacité d'effectuer la production d'acides a-co dicarboxyliques saturés ou insaturés, sont cultivées sur un milieu contenant des sources de carbone, d'azote, de phosphore et de facteurs de croissance (extraits de levures ou corn steep liquors). On va donner ci-après trois exemples de composition de milieux utilisés, ceci à titre d'exemple illustratif mais non limitatif. Exemple 1 Les esters méthyliques issus d'huile de colza à 50 grammes par litre (g/1) sont additionnés à un milieu de fermentation contenant 6,5 g/1 de Na2HP04, 0,25 g/1 de KH2P04, 1,0 g/1 d'extrait de levures, 1,0 g/1 de corn steep liquor. Ce milieu est stérilisé à 121 C pendant 20 minutes, puis additionné d'urée et de MgS04, stérilisés à part, à une concentration finale de 0,3 et 0,1 g/1 respectivement. Après inoculation à l'aide d'un inoculum préparé sur le même milieu avec une souche de Candida tropicalis adaptée à la production d'acides a-w dicarboxyliques, le milieu de culture est maintenu à 32 C et à un pH voisin de 4,5. L'aération est réglée de façon à obtenir une concentration en oxygène dissous supérieure ou égale à 10 de saturation. Une aération de 1 volume d'air par volume de milieu de culture et par minute est en général suffisante dans la pratique. Après la phase de croissance des levures, on obtient en général 15 à 20 g/1 de biomasse poids sec, le pH étant amené à 7,8 par addition de soude, et l'on ajoute avec un débit de 2 grammes/litre/heure, un total de 160 g/1 d'esters méthyliques d'huile de colza. Le pH est régulé à 7,8 par addition de soude. La concentration en oxygène dissous est maintenue au-dessus de 30 % de saturation, par variation de la vitesse d'agitation. La fin de la biotransformation est caractérisée par l'arrêt de l'ajout de soude. Les concentrations en acides #-w dicarboxyliques et les rendements de transformation des principaux esters méthyliques sont indiqués dans le tableau qui suit. Ester méthylique et Acide a-w Rendement de quantité engagée (en dicarboxylique transformation 0 g/1) correspondant (en (en o) g/1) C 16:0 10,9 8,2 75 C 18:1 123,9 94,6 76 C 18:2 44,1 34,5 78 C 18:3 20,8 15,1 73 Exemple 2 La même expérience que la précédente a été menée en remplaçant les esters méthyliques issus d'huile de colza par des esters méthyliques issus d'huile de tournesol. Le milieu de culture, la souche, et les paramètres physico- chimiques sont strictement les mêmes que ceux de l'Exemple 1. La quantité totale d'esters méthyliques d'huile de tournesol introduite selon le même protocole que celui décrit dans l'Exemple 1, est de 210 g/1. Les concentrations en acides oc-û) dicarboxyliques et les rendements de transformation des principaux esters mméthyliques sont indiqués dans le tableau qui suit Ester méthylique et Acide (x-c) Rendement de quantité engagée (en dicarboxylique transformation 0 g/1) correspondant (en (en o) g/1) C 16:0 8,2 5,9 72 C 18:0 8,4 6,2 74 C 18:1 167,8 125,8 75 C 18:2 21,8 1 5,6 72 Exem 1p e 3 On a réitéré la même expérience que précédemment, en remplaçant les esters méthyliques d'huile de colza par l'ester méthylique de l'acide myristique (C14:0). On a utilisé le même milieu de culture, la même souche, et les mêmes paramètres physico-chimiques que précédemment. La quantité totale de méthylemyristate introduite selon le même protocole que celui décrit dans l'exemple précédent, est de 210 g/1. La concentration finale en acide #-ù) dicarboxylique obtenue est de 151,2 g/1, ce qui correspond à -un rendement pondéral de 72 Si l'on revient maintenant à la généralité du procédé selon l'invention, il convient d'observer que les souches sont cultivées à leur pH optimum de croissance, les valeurs préférentielles étant voisines de 7 pour les bactéries et comprises entre 4 et 5 pour les levures et champignons. Pendant la phase de croissance, la température sera de préférence maintenue entre 25 et 35 C, et l'oxygène dissous voisin de 10 % de saturation, le pH étant quant à lui maintenu par addition d'une base, telle que la soude. Lorsque la concentration en biomasse microbienne est jugée suffisante, entre 10 et 20 g/1, le pH est monté entre 7 et 8,5 pour assurer une biotransformation des esters méthyliques en acides a-co dicarboxyliques. Pendant cette période de production, le pH est régulé par addition d'une base, telle que la soude, qui assure la neutralisation des acides formés. Pendant cette phase de biotransformation, la concentration en oxygène dissous est maintenue voisine de 30 s de saturation. A la fin de la fermentation, caractérisée par un arrêt de l'addition de la base, le milieu est amené à un pH compris entre 10 et 13, de façon à favoriser la solubilisation complète des acides #-w dicarboxyliques. Un agent floculant peut être ajouté pour favoriser la floculation des micro-organismes avant séparation par centrifugation ou filtration sous vide ou sous pression. I1 peut être intéressant de prévoir que le mélange d'esters méthyliques utilisé soit préalablement soumis, avant transformation, à un processus de fractionnement, afin de pouvoir transformer individuellement un ester méthylique particulier sélectionné en acide #-f dicarboxylique. Par ailleurs, et conformément à une technique classique en la matière, on pourra prévoir que la souche utilisée pour la fermentation croit sur un co-substrat en présence des esters méthyliques destinés à la production d'acides a-w dicarboxyliques. Ce co-substrat pourra être choisi dans le groupe comportant le glucose, le saccharose, le glycérol, ou plus généralement toute autre source de carbone et d'énergie, simple ou en mélange, utilisable par la souche concernée pour la croissance de ladite souche. On pourra naturellement prévoir que le mélange d'esters méthyliques utilisé est préalablement hydrolysé en acides gras correspondants, avant d'enclencher le processus de fermentation. Ainsi que cela a été dit plus haut, le moût de fermentation sera avantageusement amené à un pH compris entre 10 et 13, de façon à solubiliser complètement les acides a-w dicarboxyliques obtenus avant séparation du moût de fermentation des corps microbiens obtenus après croissance du micro-organisme par une technique de séparation telle que microfiltration, filtration sous vide ou sous pression, décantation ou centrifugation. Avantageusement alors, le moût de fermentation séparé des corps microbiens qu'il contenait est acidifié à un pH voisin de 4, afin de précipiter et séparer le mélange des acides a-w dicarboxyliques. On pourra alors soit utiliser tel quel le mélange obtenu, soit fractionner ce mélange en ses différents acides #-w dicarboxyliques. Le précipité obtenu est alors filtré dans un filtre-presse, et le gateau extrait du filtre-presse est lavé et filtré avant granulation. Ainsi, grâce à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les acides a-co dicarboxyliques peuvent être obtenus de façon efficace à partir d'esters méthyliques résultant de la méthanolyse de corps gras animaux ou végétaux. L'obtention d'acides a-co dicarboxyliques saturés et insaturés permet d'envisager une dimension nouvelle pour les débouchés des esters méthyliques. Ces acides peuvent en effet être transformés en sels, esters, amides, amines. Il convient également de rappeler que des plastiques nouveaux, polyamides et polyesters, peuvent être obtenus à partir de dérivés des acides #-w dicarboxyliques. . En conclusion, la principale originalité du procédé de production d'acides OC-0) dicarboxyliques selon l'invention réside ainsi principalement dans le choix de la matière première de départ, qui est un mélange d'esters méthyliques obtenu par méthanolyse d'huiles ou de graisses. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, mais englobe au contraire toute variante reprenant, avec des moyens équivalents, les caractéristiques essentielles énoncées plus haut. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'acides a-ci dicarboxyliques, caractérisé en ce qu'on utilise comme matière première un mélange d'esters méthyliques obtenu par méthanolyse d'huiles ou de graisses, ledit mélange sous forme liquide étant transformé par fermentation en acides a-ci dicarboxyliques. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange d'esters méthyliques est obtenu par méthanolyse d'huiles ou de graisses qui sont au moins partiellement hydrogénées, ou qui proviennent d'organismes génétiquement modifiés. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la fermentation comporte une étape initiale de croissance du micro organisme au pH optimum de croissance de la souche utilisée pour la fermentation, soit un pH allant de 3 à 5 pour les levures et champignons et de 6 à 7 pour les bactéries, suivie d'une étape de biotransformation des esters méthyliques qui est quant à elle effectuée à un pH essentiellement compris entre 7 et 8,5. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la souche utilisée pour la fermentation croit sur un co-substrat en présence des esters méthyliques destinés à la production d'acides a-co dicarboxyliques. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le co-substrat est choisi dans le groupe comportant le glucose, le saccharose, le glycérol, ou toute autre source de carbone et d'énergie, simple ou en mélange, utilisable par la souche concernée pour la croissance de ladite souche. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la souche utilisée pour la fermentation est une souche microbienne appartenant au genre Candida. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la souche microbienne choisie est la Candida tropicalis. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le mélange d'esters méthyliques utilisé est préalablement soumis, avant transformation, à un processus de fractionnement, afin de pouvoir transformer individuellement un ester méthylique particulier sélectionné en acide #-w dicarboxylique. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le mélange d'esters méthyliques utilisé est préalablement hydrolysé en acides gras correspondants, avant d'enclencher le processus de fermentation. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le moût de fermentation est amené à un pH compris entre 10 et 13, de façon à solubiliser complètement les acides a-w dicarboxyliques obtenus. il. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les corps microbiens obtenus après croissance du micro-organisme utilisé sont séparés du moût de fermentation par une technique de séparation telle que microfiltration, filtration sous vide ou sous pression, décantation ou centrifugation. 12. Procédé selon la revendication il, caractérisé en ce que le moût de fermentation séparé des corps microbiens qu'il contenait est acidifié à un pH voisin de 4, afin de précipiter et séparer le mélange des acides a-w dicarboxyliques. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le mélange obtenu est fractionné en ses différents acides #-w dicarboxyliques.