Brevet FR2830021A1 — publié le 20030328

PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UN HYDROLYSAT D'AMIDON A HAUTE TENEUR EN DEXTROSE L' invention a pour objet un procédé de fabrication d'un hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose. L' invention a également pour objet un procédé de fabrication de sorbitol à partir d'un hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose obtenu par la mise en _uvre du procédé conforme à l' invention. 0 Par " hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose " on entend un hydrolysat d'amidon d'une teneur en dextrose, supérieure à 99,5 % en poids. Il est connu de fabriquer des hydrolysats d'amidon pour lesquels la valeur de l'équivalent dextrose (pouvoir réducteur exprimé en glucose sur la matière sèche, ci après DE) est de 2 à 98 et qui, suivant cette valeur, peuvent renfermer jusqu'à 96 % en poids de dextrose vrai. On obtient ces différentes qualités d'hydrolysats d'amidon par le choix des conditions de l'hydrolyse de l'amidon de départ. La nature de l'hydrolyse, c'est-à-dire le fait que celle-ci soit acide ou enzymatique, intervient également. Les hydrolysats d'amidon riches en dextrose, bien qu'ayant de nombreux domaines dapplication, servent principalement comme matière première pour la fabrication de dextrose cristallisé ou comme substrat pour la fabrication de fructose par isomérisation. Pour ces deux applications, on recherche une conversion la plus élevée possible, c'est-à-dire une teneur la plus élevée possible en dextrose, avec un minimum d'impuretés. Afin d'atteindre ces teneurs en dextrose vrai, plusieurs stratégies ont été proposées pour, soit améliorer la conversion de l'amidon en limitant la formation des co-produits, soit améliorer l'efficacité de la séparation dextrose / co-produits (oligosaccharides et polysaccharides). Ainsi selon la première stratégie, un procédé consiste à opérer les étapes de liquéfaction et de saccharification à très faibles matières sèches (de l'ordre de 5 à 10 %). Mais même à aussi faible taux de matières sèches, la richesse en dextrose vrai ne dépasse pas 95 à 97 % en poids. En outre un tel procédé n'est pas o du tout économiquement rentable du fait de l'énergie nécessaire à l'évaporation de l'eau. Un autre procédé consiste à opérer la saccharification en présence d'une euzyme hydrolysant les liaisons 1-6 de l'amidon, mais même dans ce cas, la teneur en dextrose n'est au maximum que de 96 à 97 % en poids. Selon la seconde stratégie, un premier procédé consiste à séparer, de facon connue en soi, le dextrose et les oligosaccharides et polysaccharides par passage de 1 ' hydrolysat sur une colonne dun tamis moléculaire tel qu'une résine cationique. Dans un tel procédé, 1'hydrolysat d'amidon aqueux ayant subi préalablement un prétraitement tel qu'une concentration, une filtration et/ou une décoloration, est adsorbé sur la colonne, les co-produits (les polysaccharides et une partie des oligosaccharides) se retrouvant dans le raffinat exclu du tamis. Le dextrose est ensuite désorbé par élution avec de l'eau, cette dernière étant ensuite partiellement ou o complètement éliminée pour former une solution concentrée de dextrose ou du dextrose cristallisé. Un autre procédé, basé sur le même principe que celui mentionné ci-dessus, consiste à séparer le dextrose et les oligosaccharides et polysaccharides par passage de l'hydrolysat d'amidon sur des membranes à filtration tangentielle. Un tel procédé est décrit dans les documents FR-A-2.762.616 et US-A-5.869.297. Ce dernier procédé permet effectivement l'obtention d'un hydrolysat d'amidon présentant une teneur élevée en dextrose vrai, supérieure à 9899 % en poids, mais les rendements obtenus sont malheureusement trop faibles (de l'ordre de 20 à 25 %) pour justifier du point de vue industriel et économique de tels procédés. o Pour tenter de remédier aux inconvénients de ces deux stratégies, des solutions ont été proposées, solutions consistant à contrôler à la fois les conditions de saccharification et celles de séparation du dextrose de ses coproduits. Dans la demande de brevet WO 99/27124, il est décrit un procédé pour saccharifier une solution d'amidon liquéfié, comprenant une étape de saccharification durant laquelle se déroulent un ou plusieurs stades de saccharification euzymatique, et comprenant les étapes o qui consistent en une ou plusieurs étapes de séparation membranaire à haute température, et une recirculation de l' enzyme de saccharification, procédé dans lequel les étapes de séparation membranaire sont mises en _uvre en tant que partie intégrante de l'étape de saccharification. Ces nombreuses étapes de séparation font appel à des membranes d' ultrafiltration ou de nanofiltration, car il faut piéger l'euzyme pour la faire recirculer. Pour la préparation de dextrose très pur, à plus de 99 % en poids, c'est une membrane de nanofiltration qu'il faut employer, auquel cas il est avantageux de ne pas saccharifier à plus de 92 % en poids de dextrose car il y a moins de produits de réversion. La séparation sur membranes de nanofiltration est effectuée à haute température, supérieure à 60 C, et préférentiellement comprise entre 63 et 80 C. Dans la demande de brevet EP 452.238, il est décrit un procédé d'obtention de dextrose d'une richesse supérieure à 99 % en poids, consistant à procéder à la nanofiltration d'un sirop de 95 à 96 % en poids de dextrose mais ici encore à une température d' environ C. o Dans le brevet US 4.594.322, il est décrit et exemplifié un procédé dobtention dune solution de dextrose consistant à saccharifier un amidon liquéfié par une amyloglucosidase soluble ou insoluble dans un réacteur unique ou constitué de plusieurs zones, sirop dont il est dit que la richesse peut dépasser 99 % en poids de dextrose en faisant varier de facon appropriée les différentes variables du procédé. Le procédé doit cependant emprunter une étape de filtration membranaire et demande touj ours le recyclage de l'euzyme et du rétentat en saccharification. La richesse finale en dextrose est cependant toute relative car ne sont obtenus qu'un sirop à 98 % en poids de dextrose à partir d'un hydrolysat à 83,4 % en poids de dextrose à l' aide d'une membrane de filtration dun seuil de coupure de 500 daltons, à une température de 60 C, ou un sirop à 93,6 % en poids de dextrose à partir d'un sirop à 90,5 % en poids de dextrose, à l' aide cette fois d'une membrane de filtration dun seuil de coupure de 10.000 daltons et recycler enzyme et rétentat en saccharification. Cette nécessité de faire recirculer l' enzyme voit encore son illustration dans le brevet US 3.720.583 qui décrit l'obtention de solutions de dextrose par saccharification d'un amidon liquéfié, passage sur membranes, recyclage de l' enzyme et du rétentat en saccharification. Les températures de saccharification et de passage sur membranes doivent cependant être inférieures à 50 C afin d'obtenir la plus longue durée de 1/: vie de l' enzyme. Cependant, même si deux types de membranes à seuils de coupure de 1.000 et de 50.000 daltons sont mises en _uvre, elles ne permettent d'obtenir que des sirops à 98,9 % en poids de dextrose et des sirops de 93 à 97 % en o poids de dextrose, respectivement. Un premier objet de la présente invention est donc de proposer un procédé de fabrication d'un hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose qui pallie les limites et/ou les inconvénients des procédés connus de lart antérieur. Un autre objet de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication d'un hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose, supérieure à 99,5 % en poids, sans qu'il soit nocessaire de faire recirculer l' enzyme de saccharification, ou de mettre en _uvre des étapes de séparation sur membranes à haute température. Ce qui conduit ainsi à proposer un procédé, simple et économiquement performant, permettant dobtenir, avec des rendements très satisfaisants, des hydrolysats à teneur aussi élevée en dextrose vrai. A cet effet, l' invention propose un procédé de fabrication d'un hydrolysat diamidon à haute teneur en dextrose à partir d'un lait damidon liquéfié, comprenant les étapes consistant à effectuer: a) une saccharification du lait damidon liquéfié à l' aide d'une enzyme glucogénique de manière à obtenir un sirop dune richesse en dextrose comprise entre 75 et % en poids, de préférence comprise entre 80 et 90 % en poids, b) une première séparation par nanofiltration sur membranes de l'hydrolysat saccharifié ainsi obtenu de manière à recueillir un rétentat de nanofiltration et un perméat de nanofiltration, ce perméat constituant un hydrolysat d'amidon d'une teneur en dextrose supérieure à % en poids, de préférence supérieure à 96 % en poids, et plus préférentiellement encore supérieure à 97 % en poids, c) une seconde séparation par nanofiltration sur o membranes du perméat de nanofiltration précédent de manière à obtenir ledit hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose. La première étape du procédé conforme à l' invention consiste à effectuer une saccharification d'un lait d'amidon liquéfié à l' aide d'une euzyme glucogénique de manière à obtenir un sirop d'une richesse en dextrose comprise entre 75 et 90 % en poids, de préférence comprise entre 80 et 90 % en poids. La conduite de l'étape de liquéfaction de l'amidon o est connue en toute généralité par l'homme du métier, et peut consister en une hydrolyse ménagée du lait d'amidon de façon à obtenir un lait d'amidon liquéfié à faible taux de transformation, en suivant par exemple l'enseignement du brevet US 6.126.754 dont la société Demanderesse est cessionnaire. Quant à l'étape de saccharification proprement dite, après de nombreuses investigations, la Société Demanderesse a constaté que dans un procédé de fabrication d'un hydrolysat d'amidon à haute teneur en o dextrose mettant en _uvre une étape de séparation membranaire, la richesse en dextrose du perméat était meilleure si l'hydrolysat damidon saccharifié à séparer présentait une richesse en dextrose comprise entre 75 et % en poids, de préférence comprise entre 80 et 90 % en poids. Lors de cette étape de saccharification, on soumet donc un lait d'amidon liquéfié à l 'action d'une enzyme glucogénique, notamment choisie dans le groupe constitué de l'amyloglucosidase, la glucoamylase ou toute autre euzyme glucogénique. Pour éviter les réactions de réversion et la formation notamment de disaccharides (maltose, o isomaltose) par repolymérisation du dextrose, l'étape de saccharification est conduite, dans des conditions et de façon connue en elles-mêmes, pendant au plus 24 heures. En effet, le substrat préféré des euzymes glucogéniques est de poids moléculaire élevé, et les liaisons a-1,4 de l'amidon sont hydrolysées bien plus rapidement que les liaisons a-1,6. Dès lors, en début de saccharification, les grosses molécules et les liaisons a- 1,4 étant prédominantes, la production de dextrose est extrêmement rapide alors que la production des produits de réversion est très lente du fait de la faible concentration en dextrose du milieu réactionnel. La saccharification se poursuivant, les petites molécules et les liaisons a-1,6 devenant prédominantes, le taux de production du dextrose diminue progressivement alors que la production des produits de réversion (oligosaccharides hautement branchés) s'accélère. Pour remédier à ce phénomène, il peut être intéressant d'associer à l' enzyme glucogénique une enzyme hydrolysant spécifiquement les liaisons a1,6 de l'amidon. Cet aj out d'une euzyme déDranchante permet d'une part d'accélérer les réactions d'hydrolyse sans simultanément accélérer les réactions de réversion, et d' autre part, de réduire la quantité d' oligosaccharides hautement branchés résistant normalement à l 'action de l' enzyme glucogénique. De préférence, l' enzyme débranchante est l'isoamylase ou la pullulanase. Les quantités et les conditions d' action des différentes enzymes mises en _uvre dans le procédé conforme à l' invention sont choisies parmi les suivantes: - amyloglucosidase: 4.000 à 400.000 unités internationales par kilogramme de substrat sec. température de 50 C à 60 C, durce daction de maximum o 24 heures, pH de 4 à 6. - pullulanase: 150 à 15.000 unités ABM. Les enzymes utilisces peuvent être d'origine bactérienne ou fongique. La deuxième étape du procédé conforme à l' invention consiste à effectuer une première séparation par nanofiltration sur membranes de l'hydrolysat saccharifié ainsi obtenu de manière à recueillir un rétentat de nanofiltration et un perméat de nanofiltration, ce perméat constituant un hydrolysat d'amidon d'une teneur o en dextrose supérieure à 95 % en poids, de préférence supérieure à 96 % en poids, et plus préférentiellement encore supérieure à 97 % en poids. Après de nombreuses investigations, la société Demanderesse a ainsi eu le mérite de montrer que dans un procédé mettant en _uvre deux séparations par nanofiltration sur membranes, pour garantir en final une richesse en dextrose de l'hydrolysat d'amidon à plus de 99,5 % en poids, il fallait gérer les conditions de mise en _uvre de cette première étape de nanofiltration de o manière à ce que la teneur en dextrose du premier perméat soit supérieure à 95 % en poids, de préférence supérieure à 96 % en poids, et plus préférentiellement encore supérieure à 97 %. Il est connu par ailleurs de l'homme du métier que l'inconvénient des procédés de purification par nanofiltration, est le manque de stabilité des résultats dans le temps, le vieillissement des membranes conduisant à une baisse de la richesse du perméat dans le temps. Or, de manière surprenante et inattendue, la société Demanderesse a montré que la conduite de nanofiltration dans les conditions évoquées ci-dessus permet également de maintenir dans le temps une richesse 0 élevée en dextrose dans le perméat de la seconde nanofiltration et ceci malgré le vieillissement inhérent desdites membranes. Comme il sera exemplifié ci-après, les résultats obtenus avec des membranes ayant cumulé plus de 3 mois de fonctionnement en continu confirment cette valeur seuil à % en poids de dextrose à respecter pour le sirop nanofiltré une première fois afin de garantir, après la seconde nanofiltration, une richesse finale en dextrose de l'hydrolysat d'amidon à une valeur supérieure à 99,5 %. Selon un mode de réalisation préféré, la première séparation sur membranes est alors réalisée sous des conditions de températures comprises entre 30 C et 60 C, de préférence comprises entre 40 C et 50 C et de pressions comprises entre 15 et 35 bars, et de préférence comprises entre 20 et 30 bars. La membrane de nanofiltration avantageusement mise en _uvre dans le procédé conforme à l' invention est du type NF40 commercialisoe par la société FILMTEC ou du o type DESAL 5 DL 3840 commercialisée par la société DESALINATION SYSTEMS. Selon un mode particulier de réalisation de l' invention, on réalise également un recyclage de ce premier rétentat, en totalité ou en partie, en tête de la première nanofiltration, ce qui permet d'augnenter le rendement de récupération en dextrose dans le premier perméat de nanofiltration. La troisième étape du procédé conforme à l' invention consiste à effectuer une seconde séparation par nanofiltration sur membranes du perméat de nanofiltration précédent de manière à obtenir ledit hydrolysat d'amidon à haute teneur en dextrose. Et c'est donc bien contrairement à l'enseignement o de l'état de la technique, qui recommande à ce stade du procédé de séparation membranaire, de compléter la saccharification du rétentat pour enrichir en dextrose le perméat qui constituera en final le sirop à haute teneur en dextrose, que la société Demanderesse a montré que ce résultat pouvait être obtenu de manière plus avantageuse, par la seconde nanofiltration du perméat de cette première séparation membranaire. Selon un mode de réalisation préféré, la séparation sur membranes est réalisée en respectant les mêmes conditions opératoires que celles mises en _uvre pour la première étape de nanofiltration. Le perméat de cette seconde étape de nanofiltration obtenu conformément au procédé de l' invention renferme plus de 99,5 % en poids de richesse en dextrose. Le rétentat de cette seconde étape de nanofiltration qui renferme plus de 95 % en poids de dextrose peut être recyclé, en totalité ou en partie, en tête de la première nanofiltration ou de la seconde nanofiltration, ou des deux, ou être avantageusement valorisé dans le cadre de la cristallisation du dextrose afin d'obtenir un dextrose monohydrate cristallisé de grande qualité. Le dextrose issu du perméat de cette dernière nanofiltration peut être quant à lui facilement hydrogéné catalytiquement. L'hydrogénation d'un tel dextrose s'effectue conformément aux règles de l'art qui conduisent par exemple à la production de sorbitol à partir du glucose. On peut utiliser pour cette étape aussi bien des catalyseurs à base de ruthénium que des catalyseurs au nickel de Raney. 0 On préfère cependant utiliser des catalyseurs au nickel de Raney qui sont moins onéreux. Dans la pratique, on utilise de 1 à 10 % en poids de catalyseur par rapport à la matière sèche de l'hydrolysat soumis à l'hydrogénation. L'hydrogénation seffectue de préférence sur un hydrolysat dont la matière sèche est comprise entre 15 et %, dans la pratique voisine de 30 à 45 %, sous une pression d'hydrogène comprise entre 20 et 200 bars. Elle peut étre effectuée de manière continue ou discontinue. Lorsque l'on opère de manière discontinue, la pression d'hydrogène utilisce est généralement comprise entre 30 et 60 bars et la température à laquelle se déroule l'hydrogénation est comprise entre 100 et 150 C. On veille aussi à maintenir le pH du milieu d'hydrogénation par l 'addition de soude ou de carbonate de soude par exemple, mais sans dépasser un pH de 9,0. Cette manière de faire permet d' éviter l ' apparition de produits de cracking ou d'isomérisation. On arrête la réaction lorsque la teneur du milieu réactionnel en sucres réducteurs est devenue inférieure à 1 %, de préférence encore inférieure à 0,5 % et plus particulièrement inférieure à 0,1 %. Après refroidissement du milieu réactionnel, on élimine le catalyseur par filtration et on déminéralise le sorbitol ainsi obtenu sur des résines cationiques et anloniques. A ce stade, les sirops contiennent au moins 98 % de sorbitol et il est aisé de solidifier celui-ci par cristallisation après concentration et refroidissement des solutions. D'autres caractéristiques et avantages de l' invention apparaîtront clairement à la lecture des exemples qui suivent. Ils ne sont toutefois donnés ici o qu'à titre illustratif et non limitatif. Exemple 1 La détermination de la valeur seuil de richesse en dextrose du sirop dalimentation quil faut soumettre à une séparation par nanofiltration sur membranes pour obtenir un sirop à plus de 99,5 % en dextrose est réalisoe avec 5 sirops renfermant une teneur en dextrose variant de 93,1 à 97,1 % en poids. Ces 5 hydrolysats sont soumis à une nanofiltration en continu avec des membranes ayant accumulé plus de 3 mois de fonctionnement en continu, sous les conditions opératoires suivantes: À Membrane DESAL 5 DL À Température: 45 C À Pression: 25 bars Le tableau I suivant présente la richesse en dextrose de chacun des cinq perméuts obtenus. Tableau I % de dextrose du sirop % en dextrose du d'alimentation perméat 93,1 98,9 94,3 99,1 94,8 99,4 96,3 99,5 97,1 99,6 Les résultats montrent qu'effectivement, pour garantir dans le temps une richesse en dextrose à plus de 99,5 % en poids, il faut nanofiltrer une solution en dextrose supérieure à 95 % en poids, de préférence supérieure à 96 % en poids et plus préférentiellement encore supérieure à 97 % en poids. l o Exemple 2 Un lait d'amidon est liquéfié de manière classique à 1' aide de 0,5 pour mille de THERMAMYL 120L (a-amylase commercialisoe par la société NOVO) jusqu'à un DE de 6,5. On chauffe ensuite le milieu réactionnel pendant quelques secondes à 140 C de manière à inhiber la amylase. On effectue alors, de manière connue en soi, la saccharification de l'hydrolysat à 26,7 % de matières sèches en présence de 0,8 pour mille d'amyloglucosidase G990 commercialisée par la société ABM (température: C, pH = 4,5). Après 22 heures de saccharification, on obtient un hydrolysat ayant le spectre glucidique suivant: glucose: 86,3 % DP2: 4,5 % DP3 et supérieurs: 9,2 % étant entendu que l'abréviation "DP" signifie degré de polymérisation. Cet hydrolysat est soumis à une nanofiltration en continu sous les conditions opératoires suivantes: À Membrane DESAL 5 DL À Température: 45 C À Pression: 25 bars Le rétentat est partiellement recyclé en tête de cette première nanofiltration, et le perméat obtenu lo ensuite soumis à une seconde nanofiltration, dans les mêmes conditions opératoires. Le tableau II suivant reprend les caractéristiques des différents rétentats et perméats de première et seconde nanofiltration, les valeurs de l'alimentation de la première nanofiltration tenant compte du facteur de dilution apporté par le recyclage du premier rétentat. Conformément aux résultats de l'exemple 1, les conditions opératoires permettent d'obtenir en sortie de première nanofiltration un sirop à 97,1 % de richesse en o dextrose. é. On =- m0 Oo 3 a ô . ......... - H, 1> o oo H = mè so 1 Àrl À= wmc À,1 lo, Q) al Àrl e 7 e Le procédé conforme à l' invention permet donc d'obtenir un hydrolysat de haute teneur en dextrose, par la mise en _uvre de ces deux étapes de nanofiltration en série, avec recyclage du premier rétentat en tête de la première nanofiltration. Ce dextrose peut ensuite être avantageusement mis en _uvre dans tous les domaines d' applications nécessitant de disposer d'un dextrose de haute teneur, i.e. pour la fabrication de dextrose cristallisé ou comme 0 substrat pour la fabrication de fructose par isomérisation. Exemple 3 Le second perméat de l'exemple 2, purifié puis concentré à une matière sèche de 45 %, est soumis à une hydrogénation catalytique en présence de 5 % en poids par rapport à la matière sèche de nickel de Raney. Les conditions opératoires sont les suivantes: température: 130 C pression: 50 bars durée: 2 heures On arréte l'hydrogénation lorsque la teneur du milieu réactionnel en sucres réducteurs est inférieure à 600 ppm. Après refroidissement du milieu réactionnel, on élimine le catalyseur par filtration, puis on déminéralise le sirop obtenu et enfin on le concentre à % de matières sèches. La composition sur sec du sirop ainsi obtenu est la suivante: sorbitol: 98,8 % mannitol: 0,6 % iditol et produits de cracking: 0,3 % ! REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un hydrolysat damidon à haute teneur en dextrose à partir d'un lait d'amidon liquéfié, comprenant les étapes consistant à effectuer: a) une saccharification dun lait d'amidon liquéfié à l' aide d'une enzyme glucogénique de manière à obtenir un sirop dune richesse en dextrose comprise entre 75 et 90 % en poids, de o préférence comprise entre 80 et 90 % en poids, b) une première séparation par nanofiltration sur membranes de l'hydrolysat saccharifié ainsi obtenu de manière à recuoillir un rétentat de nanofiltration et un perméat de nanofiltration, ce perméat constituant un hydrolysat damidon d'une teneur en dextrose supérieure à 95 % en poids, de préférence supérieure à 96 % en poids, et plus préférentiellement encore supérieure à 97 % en poids, o c) une seconde séparation par nanofiltration sur membranes du perméat de nanofiltration précédent de manière à obtenir ledit hydrolysat damidon à haute teneur en dextrose. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on effectue l'étape (a) de saccharification pendant au maximum 24 heures. 3. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le premier rétentat de nanofiltration est recyclé, en totalité ou en o partie, en tête de ladite étape de séparation par nanofiltration sur membranes. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le second rétentat de nanofiltration est recyclé, en totalité ou en partie, en tête de la première nanofiltration ou de la seconde nanofiltration, ou des deux, ou être avantageusement valorisé dans le cadre de la cristallisation du dextrose 5. Procédé de fabrication de sorbitol par hydrogénation dun hydrolysat damidon à haute teneur en dextrose, caractérisé par le fait que ledit hydrolysat est obtenu par la mise en _uvre du procédé conforme à