Brevet FR2939446A1 — publié le 20100611

UTILISATION DE COTON RECYCLE POUR PRODUIRE DE L'ETHANOL, ET PROCEDE DE PRODUCTION La présente invention concerne l'utilisation d'une matière première particulière pour produire de l'éthanol. L'invention couvre aussi un procédé de production d'éthanol à partir de cette biomasse. Depuis plusieurs années de nombreuses études ont été menées pour remplacer les sources d'énergie fossiles par des énergies renouvelables. En particulier la recherche s'est orientée vers la création de nouveaux carburants : les agrocarburants ou écocarburants. Un écocarburant est un carburant produit à partir de matériaux organiques renouvelables et non fossiles. Il existe diverses techniques de production de écocarburants notamment la production d'huile et de ses dérivés, d'alcool ou de carburants gazeux à partir de biomasse végétale ou animale. Actuellement, d'intenses recherches sont en cours sur la transformation des végétaux en alcool, en particulier en éthanol. Toutefois, le développement de ces carburants présentent des inconvénients importants à la fois en terme de rendement et du fait qu'ils entrent en compétition directe avec les cultures alimentaires et les écosystèmes. En outre, la capacité de production des matières premières est limitée comparée aux quantités consommées très importantes de carburants. C'est pourquoi l'objectif de la présente invention est de pallier aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer une nouvelle voie de production de bioéthanol purement énergétique, plus intéressante sur le plan environnemental et présentant de meilleurs rendements. A cet effet, la présente invention a pour objet l'utilisation d'un matériau cellulosique recyclé, le coton textile, pour produire de l'éthanol destiné à être utilisé en tant que biocarburant. La cellulose est un élément essentiel de la paroi des végétaux. C'est le polymère le plus abondant sur terre. La cellulose est composée d'une chaîne de glucopyranoses. Il est connu que son hydrolyse par des cellulases conduit à l'obtention de molécules de glucose, sucres simples facilement fermentescibles en éthanol par voie de glycolyse. Pour répondre à son objectif et produire de l'éthanol, la présente invention propose d'utiliser un matériau cellulosique particulier : du coton textile recyclé. Par coton textile recyclé, on entend une matière première collectée (vêtements en fin de vie, chutes de tissus de l'industrie de l'habillement, etc.) comme un déchet et composée à plus de 90% de cellulose. Le coton textile recyclé peut être utilisé pour produire de l'éthanol par la mise en oeuvre de tout procédé adapté. Avantageusement le coton textile recyclé permet d'augmenter les rendements de production d'éthanol, comparé aux matières premières lignocellulosiques connus, du fait de sa haute teneur en cellulose. Selon un autre aspect, la présente invention a également pour ob jet un procédé particulier de production d'éthanol à partir de coton textile comprenant les étapes suivantes : a) prétraitement de coton textile, b) hydrolyse enzymatique, c) filtrations, préférentiellement filtration nominale, ultrafiltration et filtration stérile, d) fermentation. De manière préférée le procédé comprend une étape de décoloration avant l'étape de fermentation. Un procédé particulièrement adapté selon l'invention comprend les étapes suivantes a) prétraitement de coton textile recyclé : - broyage du coton textile, - prétraitement du coton textile broyé, b) hydrolyse enzymatique, c) ultrafiltration, nanofiltration, osmose inverse, décoloration et/ou filtration stérile, d) fermentation, et e) distillation et déshydratation, préférentiellement à l'aide d'une membrane par pervaporation. La présente invention est maintenant décrite en détail pour chacune des étapes 15 du procédé. L'étape a) de prétraitement a pour objectif de rendre accessible la cellulose pour faciliter son hydrolyse enzymatique. En effet, la fibre de coton, principalement composée de cellulose, a subi différents traitements chimiques (mercerisage, grattage, traitement 20 irrétrécissable, traitement infroissable et colorants) pour leur application première dans le textile. La composition chimique type d'une fibre de coton est : - cellulose : 91,2%, - eau : 7%, - cire : 0,5%, 25 - matières azotées : 0,7%, - substances articulaires : 0,3%, et - cendres : 0,3%. Le prétraitement de la matière première peut être chimique et/ou mécanique. Le prétraitement chimique consiste à hydrolyser les hémicelluloses. Il peut s'agir par exemple d'une hydrolyse en milieu basique à chaud pour solubiliser les hémicelluloses et une partie de lignine, ou en milieu acide faible chaud pour hydrolyser les hémicelluloses. Selon un mode de réalisation préféré, le prétraitement de la matière première selon l'invention est réalisé par défibrage du coton textile dans une extrudeuse. Le défibrage permet de séparer les fibres et d'augmenter la digestibilité de la cellulose. Préférentiellement le coton textile est défibré dans une extrudeuse, à une température comprise entre 60°C et 180°C et en présence d'une quantité d'eau représentant entre 200% et 450% de la masse de ladite matière première. Avantageusement, le prétraitement de la matière première par défibrage dans une extrudeuse permet d'augmenter d'un facteur 3 le rendement de l'hydrolyse enzymatique de la cellulose. Il permet également de réduire la quantité d'enzyme utilisée lors de l'étape b). Selon un mode de réalisation particulièrement adapté, le prétraitement est précédé par une étape de broyage du coton textile recyclé qui permet de rendre encore plus accessible la cellulose en vue de son hydrolyse. L'étape de broyage de la matière première peut être réalisée à titre d'exemple à l'aide d'un broyeur à couteaux. L'étape b) consiste à hydrolyser la cellulose à l'aide d'enzymes pour obtenir une solution riche en glucose. L'hydrolyse peut être réalisée à l'aide d'un cocktail enzymatique composé de cellulases et de p-glucosidase. Préférentiellement, l'hydrolyse est réalisée dans une cuve maintenue à une température comprise entre 50°C et 60°C, à un pH comprise entre 4 et 5,5 pendant au moins 24 heures. Le ratio d'enzymes par gramme de cellulose est compris entre 0,5 et 2,5. L'étape c) consiste à filtrer la solution obtenue après hydrolyse enzymatique de la cellulose. Selon une variante préférée de l'invention, l'étape c) comprend les étapes suivantes - filtration pour la clairance du milieu, - ultrafiltration, - osmose inverse, - décoloration, et/ou - filtration stérile. Après l'étape b), le milieu réactionnel est composé d'un jus sucré, de cellulases, de composés non cellulosiques et de cellulose non dégradée. Une étape de centrifugation préalable à la filtration permet d'éliminer les composés non cellulosiques et la cellulose non dégradée. L'ultrafiltration a pour objectif de recycler et réutiliser les enzymes utilisées pour l'hydrolyse. Cette étape d'ultrafiltration tangentielle permet de diminuer considérablement les coûts de production de l'éthanol, car le coût des enzymes utilisées pour l'hydrolyse de la cellulose est très important. L'étape d'ultrafiltration peut être réalisée sur une membrane telle q'une membrane en polysulfone, avec un seuil de coupure de 6Kba, un diamètre interne de la fibre de 0,8mm et un diamètre externe de 1,4mm. Cette membrane permet de concentrer et de récupérer les enzymes d'une part (le concentrat) et le jus sucré d'autre part (le perméat). Les enzymes recyclées sont ensuite réutilisées pour traiter un autre lot de biomasse cellulosique. Elles peuvent être réutilisées jusqu'à deux cycles sans perte significative d'activité. L'osmose inverse concentre le perméat sans évaporation. Cette étape permet une économie d'énergie par rapport à une étape classique d'évaporation. La décoloration permet de retenir les colorants du coton textile dans une résine. Elle peut s'effectuer sur colonne à l'aide d'une résine ayant une affinité avec les cycles aromatiques, de façon à ce que les colorants du coton textile reste dans la colonne par affinité. La filtration stérile évite toute contamination dans le fermenteur et assure un rendement optimal de la fermentation. L'étape d) de fermentation a pour objectif de fermenter en éthanol le glucose contenu dans le jus sucré filtré, par voie de glycolyse grâce à une levure. Cette étape est préférentiellement précédée d'un refroidissement du milieu réactionnel. La fermentation peut être réalisée dans un fermenteur entre 30°C et 37°C, entre 7h et 24h, à pH compris entre 3,8 et 5,0. Classiquement, les levures utilisées peuvent être des Saccharomyces cerevisiae. Le rendement de la fermentation atteint 0,4g d'éthanol par gramme de glucose. Les levures utilisées pour la fermentation peuvent être recyclées par microfiltration, avec un seuil de coupure de 6Kba, pour être réutilisées. L'étape de fermentation est généralement suivie par une étape e) de distillation/déshydratation sur une membrane qui permet d'obtenir un éthanol à 99,9%. Un exemple de procédé particulièrement adapté selon l'invention comprend donc les étapes suivantes : - broyage de coton textile recyclé (diamètre 4 à 6 mm), - prétraitement du coton textile broyé par défibrage dans une extrudeuse bivis à une température comprise entre 60°C et 180°C et en présence d'une quantité d'eau représentant entre 200% et 450% de la masse de ladite matière première, - hydrolyse enzymatique à l'aide d'un cocktail enzymatique composé de cellulases et de p-glucosidase (entre 0,1 et 1g d'enzyme par gramme de cellulose) dans une cuve maintenue à une température comprise entre 50°C et 60°C, à un pH comprise entre 4 et 5,5 pendant au moins 24 heures, - filtration pour une clairance du milieu, - ultrafiltration pour recycler les enzymes de l'hydrolyse, - osmose inverse, - décoloration, - filtration stérile, - refroidissement, - fermentation dans un fermenteur entre 30°C et 37°C, entre 7h et 24h, à 10 pH compris entre 3,8 et 4,5, avec des Saccharomyces cerevisiae, - microfiltration pour recycler les levures, et - distillation/déshydratation. Un tel procédé résout ainsi le problème initial posé de la production de rendements importants de bioéthanol, à partir d'une matière première 15 intéressante sur le plan environnemental. Les résultats obtenus après hydrolyse enzymatique en fonction du pré-traitement de défibrage (105°C avec 300% d'eau) sont présentés dans le tableau ci-dessous Traitement de la biomasse Pourcentage d'hydrolyse du produit intermédiaire Aucun (témoin) 59,0 Déchets textiles défibrés 82 Parallèlement ce procédé permet de diminuer les coûts de production en recyclant les enzymes et les levures utilisées. L'éthanol obtenu peut avantageusement être utilisé comme carburant dans un véhicule à essence, seul ou en association avec un ou plusieurs autres carburants. 20 REVENDICATIONS1. Utilisation de coton textile recyclé pour produire de l'éthanol. 2. Procédé de production d'éthanol à partir de coton textile, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) prétraitement de coton textile, b) hydrolyse enzymatique, c) filtration(s), et d) fermentation. 3. Procédé de production d'éthanol selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de décoloration avant l'étape de fermentation. 4. Procédé de production d'éthanol selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) prétraitement de coton textile recyclé : - broyage du coton textile, - prétraitement du coton textile broyé par extrusion, b) hydrolyse enzymatique, - filtration pour la clairance du milieu, - ultrafiltration, - osmose inverse, - décoloration, - filtration stérile , - refroidissement, d) fermentation, et e) distillation/déshydratation. c)20 . Procédé de production d'éthanol selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'étape de distillation/déshydratation est réalisée à l'aide d'une membrane par pervaporation. 6. Procédé de production d'éthanol selon l'une des revendications 2 à 5, 5 caractérisé en ce que le prétraitement du coton textile broyé ou non, est réalisé par défibrage dans une extrudeuse. 7. Procédé de production d'éthanol selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé ce qu'il comprend la succession des étapes suivantes : - broyage de coton textile recyclé, - prétraitement du coton textile broyé par défibrage dans une extrudeuse bivis à une température comprise entre 60°C et 180°C et en présence d'une quantité d'eau représentant entre 200% et 450% de la masse de ladite matière première, - hydrolyse enzymatique à l'aide d'un cocktail enzymatique composé 15 de cellulases et de p-glucosidase, - filtration pour la clairance du milieu, - ultrafiltration pour recycler les enzymes de l'hydrolyse, - osmose inverse pour concentrer le perméat, - décoloration, 20 - filtration stérile, - refroidissement, - fermentation dans un fermenteur entre 30°C et 37°C, entre 7h et 24h, à pH compris entre 3,8 et 5,0, avec des Saccharomyces cerevisiae, 25 - microfiltration pour recycler les levures, et - distillation/déshydratation.