Brevet FR2949645A1 — publié le 20110311

Procédé de valorisation des sous-produits de distillation issus de la production de bioéthanol à partir d'une matière première céréalière, en particulier de blé L'invention concerne la production de sous-produits à valeur ajoutée dans un procédé de production de bioéthanol à partir de matières végétales, notamment à partir de blé, avec optimisation des consommations d'eau et d'énergie. Le bioéthanol obtenu à partir de céréales telles que le blé est produit par hydrolyse enzymatique (saccharification) de l'amidon contenu dans la céréale, fermentation des sucres issus de cette hydrolyse, puis distillation. La matière première céréalière doit toutefois être traitée préalablement aux étapes de saccharification et de fermentation. Une première technique consiste à moudre la céréale afin d'en éliminer les germes et les fibres, et traiter ensuite la farine ainsi obtenue. Une autre technique consiste à combiner mouture et trempage de la cé- réale. La matière première trempée et moulue est ensuite soumise telle quelle à une saccharification et une fermentation, ou bien elle est soumise à une séparation préalable de manière à éliminer la fibre et le germe, en ne soumettant à saccharification et fermentation que la partie contenant l'amidon. Une autre technique encore consiste à traiter directement la farine de céréale entière, sans trempage. La farine entière, avec les germes et les fibres, est mélangée avec un diluant pour donner une pâte, qui est ensuite diluée à nouveau avant liquéfaction et saccharification. Après saccharification, la dispersion liquide peut être encore diluée avant l'étape de fer- mentation permettant de produire l'éthanol. Enfin, lorsque la fermentation est achevée, le mélange est soumis à une distillation permettant de récupérer l'éthanol. L'invention se rapporte à un procédé mettant en oeuvre cette dernière technique. Dans la mesure où la totalité du mélange est soumis à fermentation et distillation, après production de l'éthanol il subsiste un volume important de résidus contenant des fibres, des protéines, ainsi que d'autres matières non fermentées telles que minéraux et matières grasses. Ces résidus peuvent être valorisés pour donner des sous-produits utilisables notamment dans l'alimentation animale comme éléments concentrés nutritifs, notamment comme supplément énergétique et/ou protéique. On obtient notamment le sous-produit dénommé "DDGS" (Distiller's Dried Grain with Solubles, drêche sèche de distillerie avec solubles), qui est un produit alimentaire sec, avec une teneur modérée en protéines se situant entre 25 et 35% en matière sèche (Nx5,7) et avec un mélange équilibré de minéraux et d'éléments nutritifs. Le DDGS peut notamment être utilisé comme substitut économique partiel du maïs et du soja pour le bétail et la volaille. Toutefois, la séparation du DDGS requiert une certaine quantité d'énergie, et du fait de la valeur relativement faible de ce sous-produit, il apparaît très souhaitable de pouvoir en augmenter à la fois la valeur nutritionnelle (amélioration de la composition, notamment de la teneur en protéines) et économique (par diminution des coûts). De manière à apporter une teneur en protéines suffisant aux besoins de croissance des animaux dans un volume de ration raisonnablement ingérable, une teneur en protéines de 45% ou plus en matière sèche est souhaitable (Nx5,7). En outre ces protéines doivent avoir une bonne digestibilité, se situant à 80% ou plus. Dans ce contexte, le US 4 810 647 A (Valpi) propose une technique pour améliorer la valeur des sous-produits de distillation du bioéthanol, mais au prix d'un procédé très complexe mettant en oeuvre de nombreuses étapes de traitement et nécessitant des quantités importantes d'eau. Le WO 2005/029974 Al (Heineken Technical Services BV) décrit un autre procédé perfectionné de valorisation des résidus de fermentation, mis en oeuvre lors de la production d'éthanol à partir d'une céréale. Le procédé décrit permet une séparation efficace des composantes protéinées et fibreuses du résidu, grâce à une installation simple et très robuste, qui peut être appliquée à un processus opérant en continu. Mais dans ce procédé, l'un des éléments critiques est l'addition d'eau au résidu de fermentation pour former une suspension avant l'étape de séparation. De ce fait, une quantité importante d'eau est nécessaire à la mise en oeuvre de cette technique, dans la mesure notamment où le résidu de fermentation doit être très fortement dilué, typiquement une dilution inférieure à 5 % sur ma- tière sèche. Le flux dilué est ensuite séparé en un concentré fibreux et un jus protéiné. Le jus protéiné est partiellement recyclé vers le flux de résidus de fermentation, le reste étant concentré de manière à obtenir, d'une part, un concentré protéiné et, d'autre part, un flux déprotéiné aqueux. Ce dernier flux peut être également recyclé, en tant que diluant du flux de ré- sidus de fermentation. Cette technique, si elle est efficace, n'en requiert pas moins, d'une part, l'utilisation d'importantes quantités d'eau, qui viennent grever d'autant le coût d'exploitation du processus et, d'autre part, le traitement de volumes importants de résidus (du fait des dilutions importantes), nécessitant un dimensionnement correspondant des installations, avec ici encore une ré-percussion sur les coûts à la fois d'investissement et d'exploitation. L'invention a pour but de remédier aux inconvénients des techniques antérieures de valorisation des sous-produits de la production de bioéthanol, en proposant un procédé qui : - d'une part permette de limiter la quantité d'eau (et d'énergie) nécessaire à l'obtention des sous-produits ; et - d'autre part ne requière que le traitement de faibles volumes de flux intermédiaires, donc n'utilise que des installations plus petites et donc moins coûteuses. Par rapport à l'état de la technique, on pourra ainsi obtenir une séparation plus efficace des composantes protéinées et fibreuses du résidu de fermentation. Plus précisément, le procédé de l'invention prévoit, pour la valorisation des sous-produits de distillation issus de la production de bioéthanol à partir d'une matière première céréalière, en particulier du blé, les étapes successives de : a) préparation d'un pâte par addition de liquide à de la farine de ladite matière première céréalière ; b) hydrolyse et fermentation de la pâte, donnant un substrat fermenté ; c) distillation du substrat fermenté, donnant une fraction contenant de l'éthanol et un résidu de distillation contenant des fibres et des protéi- nes, avec en outre, de façon caractéristique de l'invention, des étapes de : d) séparation du résidu, essentiellement sans dilution préalable de celui- ci, entre d'une part une fraction enrichie en fibres et d'autre part une fraction liquide défibrée ; e) centrifugation de la fraction liquide défibrée, donnant d'une part une fraction concentrée en protéines et d'autre part un effluent ; f) séchage de la fraction concentrée en protéines de l'étape e), donnant un sous-produit de type concentré protéiné sec ; g) recyclage d'une partie de l'effluent de l'étape e) comme liquide d'addi- tion de l'étape a) ; h) concentration d'une autre partie de l'effluent de l'étape e) puis mélange avec la fraction enrichie en fibres de l'étape d) ; et i) séchage du mélange de l'étape h), donnant un sous-produit de type drêche sèche de distillerie avec solubles DDGS. Avantageusement, le procédé comprend en outre une étape additionnelle de concentration de la fraction enrichie en fibres de l'étape d) avant son mélange à l'étape h) avec l'effluent de l'étape e). L'étape e) de centrifugation est de préférence une étape de centrifugation à deux étages, les fractions concentrées en protéines de chacun des éta- ges de centrifugation étant soumis au séchage de l'étape f). Les fractions concentrées de protéines provenant de ces deux étages peuvent être séchées ensemble ou séparément. Ainsi, quand elles sont séchées séparément, on obtient des fractions respectivement concentrées en protéines de blé et en protéines de levure. D'autre part, l'étape h) de concentration d'une autre partie de l'effluent, et/ou l'étape c) de distillation, comprennent avantageusement la récupération d'un condensat liquide ou d'une fraction liquide, et le recyclage de ce condensat ou de cette fraction liquide comme liquide d'addition de l'étape a) de mélange. On va décrire un exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention, en référence à la Figure 1, qui est un schéma par blocs illustrant les différentes étapes de ce procédé, ainsi que les différents flux traités. 0 La matière première est une farine de blé entier qui est additionnée d'un liquide dans une unité de mélange 10, pour obtenir une pâte. Le liquide ajouté à la farine peut être de l'eau, ou des résidus clarifiés recyclés d'autres étapes du procédé (comme on l'expliquera plus bas), ou un mélange des deux. En outre, l'eau utilisée à cette étape peut être, en totalité ou en partie, obtenue par recyclage de condensats de vapeur d'eau issus des étapes de distillation ou d'évaporation (unités 16 et 26 sur la Figure). L'étape suivante consiste à soumettre la pâte à une hydrolyse dans l'unité 12, pour obtenir des sucres fermentables. La composition obtenue est en-suite diluée et transférée vers une unité de fermentation 14, avec addition de levures. Cette dilution avant fermentation peut être faite avec des condensats. Après fermentation, le substrat fermenté est transféré vers une unité de distillation 16 permettant d'extraire le bioéthanol. Lors de cette distillation, on obtient d'une part une fraction aqueuse contenant l'éthanol et d'autre part un résidu dont peut tirer des sous-produits valorisables, extraits par le procédé caractéristique de l'invention décrit ci-dessous. Cette fraction aqueuse contenant l'éthanol est ensuite raffinée selon un procédé de distillation donnant d'une part l'éthanol pur et d'autre part une fraction liquide utilisable comme liquide d'addition de l'étape a) de mélange. Le résidu de distillation est principalement formé des constituants suivants (ces valeurs typiques n'étant bien entendu pas limitatives) : - fibres : 10 à 20 % sur matière sèche, - protéines : 25 à 40 % sur matière sèche, - matières grasses : 5 à 10 % sur matière sèche, - amidon : moins de 5 % sur matière sèche, - autres glucides : 20 à 35 % sur matière sèche. Ces cinq constituants représentent au moins 75 % en poids, le plus sou-vent au moins 85 % en poids, de la matière sèche contenue dans le résidu, sachant que la teneur en matière sèche du résidu liquide est habituellement de l'ordre de 10 à 20 %. Le terme "fibres" utilisé ici est synonyme de "fibres brutes" et correspond aux composants du squelette de la cellule végétale qui sont particulière-ment résistants à la digestion par les enzymes du tube digestif des animaux non ruminants. Lorsque l'on parlera ci-après de "teneur en fibres" ou de "concentration en fibres" cette teneur ou concentration sera considérée de la manière déterminée par le procédé analytique décrit dans la Norme ISO 6865:2000E , intitulée "Aliments des animaux - Détermination de la teneur en cellulose brute - Méthode avec filtration intermédiaire". Les "autres glucides" évoqués plus haut correspondent à des mélanges composés principalement de glucides solubles et de leurs dérivés, incluant notamment les arabinoxylo-oligosaccharides (AXOS), le glycérol et les acides organiques, dont principalement l'acide lactique. Le résidu de distillation ainsi défini, parfois appelé bottom stills, est tout d'abord traité par une unité 18 destinée à séparer les fibres. Cette étape est commodément mise en oeuvre au moyen d'un tamis, par exemple en forme de grillage, de plaque perforée ou de tissu. Les orifices du tamis peuvent être rectangulaires, arrondis ou triangulaires. De préférence, le tamis comporte des grilles courbées, coniques ou horizontales vibrantes. Typiquement, le tamis utilisé pour la mise en oeuvre de l'inven- tion présente des dimensions d'orifices d'au moins 0,075 mm, en principe sans dépasser 1 mm. Dans une forme de réalisation préférentielle, les tamis présentent des dimensions d'orifices comprises entre 100 et 900 pm, très avantageusement comprises entre 250 et 750 pm. Le défibrage réalisé par l'unité de séparation 18 permet d'obtenir : - d'une part, une fraction liquide défibrée, riche en protéines, représen- tant de 75 à 90 % en volume du résidu de distillation de départ, avec une teneur en matière sèche comprise typiquement entre 10 et 15 % - d'autre part, une fraction enrichie en fibres, représentant 10 à 25 % en volume du flux traité, avec une teneur en matière sèche comprise typi- quement entre 16 et 23 %. La fraction enrichie en fibres issue de l'étape de défibrage 18 est avantageusement concentrée par une unité d'extraction 20, par exemple une presse, permettant de séparer d'une part un effluent liquide et d'autre part un concentré fibreux dont a été éliminée la majeure partie des consti- tuants liquides avec leurs éléments solubles. Le liquide défibré issu de la séparation 18, quant à lui, est dirigé vers une unité de décantation 22, par exemple un décanteur centrifuge permettant de séparer une fraction concentrée protéinée et un surnageant. Le surnageant est avantageusement soumis à une centrifugation additionnelle dans l'unité 24, pour obtenir une seconde fraction protéinée concentrée qui sera ajoutée au concentrat issu de la décantation 22. Cette étape de séparation par centrifugation en un ou (de préférence, comme illustré) deux étages est opérée par des appareils de type décanteur centrifuge ou centrifugeuse à buses, ou par une combinaison des deux types d'appareils û lorsque deux types d'appareils sont combinés, le premier étage est de préférence un décanteur centrifuge. Le réglage des centrifugeuses dépend des caractéristiques techniques de l'équipement et de la matière à traiter. Les conditions de centrifugation sont ajustées de manière que la teneur en protéines de la fraction concentrée soit augmen- tée d'au moins 30 %, de préférence d'au moins 40 %, très préférentielle-ment d'au moins 50 % par rapport à la teneur en protéines du résidu de distillation initial. La teneur en matière sèche de la fraction enrichie en protéines est corrélativement accrue d'au moins 80 %, de préférence d'au moins 100 % par rapport à la teneur en matière sèche du résidu initial. La fraction concentrée en protéines obtenue après ces étapes de centrifugation contient ainsi entre 20 et 35 % de matière sèche, avec une teneur en protéines d'au moins 45 % sur matière sèche. D'autre part, la composition de cette fraction enrichie en protéines comprend principalement des protéines de gluten de blé, un mélange de pro- téines de gluten de blé et de protéines de microorganismes (levures), ou principalement des protéines de microorganismes, les différences de composition étant déterminées par les conditions opératoires des étapes de centrifugation. En ce qui concerne l'autre fraction (surnageant clarifié), sa composition dépendra également des conditions opératoires de la centrifugation, avec une teneur en matière sèche pouvant varier entre 8 et 12 % et une teneur en protéines comprise entre 10 et 35 % sur matière sèche. Les résidus clarifiés issus des étapes de centrifugation 22, 24 sont combinés avec les effluents liquides rejetés par la presse 20 servant à séparer l'eau des fibres, et le tout est recyclé dans le processus : - en partie pour servir de liquide d'addition à la farine de blé dans l'unité de mélange 10, pour préparer la pâte à hydrolyser ; le reste étant concentré dans un évaporateur 26 (dont l'eau de condensation pourra être réutilisée, notamment pour la préparation de la pâte par le mélangeur 10), de manière à produire des résidus clarifiés concentrés. Les résidus clarifiés concentrés issus de l'évaporateur 26 sont combinés avec les fibres extraites de la presse d'extraction 20, et le tout est introduits dans un séchoir 28 permettant d'obtenir in fine une drêche de distil- lerie DDGS à teneur réduite en protéines. Cette étape de séchage des résidus clarifiés et des fibres peut être mise en oeuvre concurremment (c'est-à-dire après mélange des fibres et des résidus clarifiés, comme illustré sur la Figure) ou séparément. Elle est opérée au moyen d'équipements de séchage conventionnels, tels que des séchoirs flash, des séchoirs à anneaux ou des séchoirs à tambour. La fraction concentrée en protéines issue des étapes de centrifugation 22 et 24 est traitée de la même façon par passage dans un séchoir 30, de manière à obtenir comme sous-produit final un concentré protéiné sec. Les concentrés protéinés sec ainsi obtenus ont typiquement une teneur en eau inférieure à 10%, une teneur en cendres inférieure à 5%, une teneur en matières grasses de 5 à 10%, une teneur en fibres brutes et en arabinoxylanes d'environ 10%, une teneur en protéines supérieure à 45%, préférentiellement supérieure à 50% (Nx5,7). Les protéines présentes ont une digestibilité iléale in vitro d'au moins 80% (selon la méthode décrite par Boisen S., Animal Feed Science & Technology, 1995, pp.29-43). Le séchoir 30 peut être, ici encore, un séchoir conventionnel de type séchoir flash, séchoir à anneaux ou séchoir à tambour. Le procédé que l'on vient de décrire permet ainsi d'obtenir à partir d'une farine de blé entier, d'une part du bioéthanol, et d'autre part deux types de sous-produits valorisables, à savoir un concentré protéiné sec et une drêche de distillerie DDGS à teneur réduite en protéines. Ce concentré protéiné sec peut être composé d'un mélange de protéines obtenu pendant les étapes de centrifugation 22,24. Comme il est aussi possible de sécher séparément ces deux fractions, on peut ainsi obtenir aussi des fractions concentrées de protéines de blé et de protéines de levure. Les deux exemples suivants illustrent l'invention, avec des valeurs numé- riques indicatives. Exemple 1 Des résidus de distillation présentant une teneur de 15 % de matière sèche (MS) en sortie de l'unité de distillation 16 ont été traités sans dilution par une unité de défibrage 18 de type Sweco avec des tamis de 500 pm d'ouverture, avec un débit d'alimentation de 650 kg/h à une température de 70°C. La composition des flux d'entrée et de sortie est donnée par le Tableau 1 ci-dessous. Tableau 1 : Composition des flux à l'étape de défibrage Débit % % protéines (kg/h) MS sur MS En entrée 649,3 15,0 32,2 Retenu 128,3 21,9 21,8 Traversant 521 13,6 36,0 La fraction retenue, qui est celle enrichie en fibres, a été dirigée vers un équipement d'extraction de l'eau. La fraction traversante, quant à elle, a été traitée par un décanteur centrifuge pour obtenir un flux enrichi en protéines. Le décanteur centrifuge utilisé dans cet exemple était un modèle Westfalia AG type CA220 de 220 mm de diamètre et de 5100 tpm (50 Hz) de vitesse maximale, correspondant à 3200 g. Des essais ont été effectués pour différentes vitesses différentielles, comme illustré sur les Tableaux 2 et 3 : le Tableau 2 indique les réglages du décanteur, tandis que le Tableau 3 donne les compositions respectives des différents flux, pour trois vitesses différentes. Tableau 2 : Réglages du décanteur Débit (kg/h) Vitesse différen- Surnageant Concentrat tielle (tpm) (kg/h) (kg/h) 530 4 485 47 530 12 400 129 530 24 370 160 Tableau 3 : Composition des différents flux pour des 5 vitesses différentielles de décanteur de 4, 12 et 24 tpm Matière sèche Protéines sur MS (N x 5,7) Alim. Surnageant Concentrat Alim. surnageant Concentrat 13,8 12,6 28,5 35,1 32,8 48,8 13,8 11,2 25,4 35,1 26,3 50,3 13, 8 12,1 24,1 35,1 25, 0 49, 5 Cet exemple montre qu'il est possible d'obtenir un flux concentré en protéines sans qu'il soit besoin de diluer le résidu de distillation. Exemple 2 Des résidus de distillation présentant une teneur de 15 % de matière sèche en sortie de l'unité de distillation 16 ont été traités sans dilution par 15 passage sur des tamis courbes de défibrage avec des ouvertures de 250 pm. Le débit d'alimentation était de 600 kg/h à une température de 70°C. La composition des flux d'entrée et de sortie est donnée par le Tableau 4 ci-dessous. Tableau 4 : Composition des flux à l'étape de séparation Débit % % protéines (kg/h) MS sur MS En entrée 600 14,4 29,7 Retenu 235 17,4 22,6 Traversant 365 12,8 36,0 10 20 La fraction retenue, qui est celle enrichie en fibres, a été dirigée vers un équipement d'extraction de l'eau. La fraction traversante, quant à elle, a été traitée par un décanteur centrifuge pour obtenir un flux enrichi en protéines. Le décanteur centrifuge utilisé dans cet exemple était un modèle Westfalia AG type CA220 de 220 mm de diamètre et de 5100 tpm (50 Hz) de vitesse maximale, correspondant à 3200 g. Des essais ont été effectués pour différentes vitesses différentielles, comme illustré sur les Tableaux 5 et 6 : le Tableau 5 indique les réglages du décanteur, tandis que le Tableau 6 donne les compositions respectives des différents flux, pour trois vitesses différentes. Tableau 5 : Réglages du décanteur Débit (kg/h) Vitesse différen- Surnageant Concentrat tielle (tpm) (kg/h) (kg/h) 523 6 443 80 515 8 423 92 523 12 394 129 Tableau 6 : Composition des différents flux pour des vitesses différentielles de décanteur de 6, 8 et 12 tpm Matière sèche Protéines sur MS (N x 5,7) Alim. Surnageant Concentrat Alim. surnageant Concentrat 13,0 10,9 29,8 33,5 21,7 53,9 13,0 9,8 28,8 33,5 23,3 52,9 13,0 9,8 25,7 33,5 18,5 51,3 REVENDICATIONS1. Un procédé de valorisation des sous-produits de distillation issus de la production de bioéthanol à partir d'une matière première céréalière, en particulier de blé, ce procédé comprenant les étapes successives de : a) préparation d'un pâte (10) par addition de liquide à de la farine de la- dite matière première céréalière ; b) hydrolyse (12) et fermentation (14) de la pâte, donnant un substrat fermenté ; c) distillation (16) du substrat fermenté, donnant une fraction contenant de l'éthanol et un résidu de distillation contenant des fibres et des pro- téines, procédé caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes : d) séparation (18) du résidu, essentiellement sans dilution préalable de celui-ci, entre d'une part une fraction enrichie en fibres et d'autre part une fraction liquide défibrée ; e) centrifugation (22, 24) de la fraction liquide défibrée, donnant d'une part une fraction concentrée en protéines et d'autre part un effluent ; f) séchage (30) de la fraction concentrée en protéines de l'étape e), don- nant un sous-produit de type concentré protéiné sec ; g) recyclage d'une partie de l'effluent de l'étape e) comme liquide d'addi- tion de l'étape a) ; h) concentration (26) d'une autre partie de l'effluent de l'étape e) puis mélange avec la fraction enrichie en fibres de l'étape d) ; et i) séchage (28) du mélange de l'étape h), donnant un sous-produit de type drêche sèche de distillerie avec solubles DDGS. 2. Le procédé de la revendication 1, comprenant en outre une étape additionnelle de concentration (20) de la fraction enrichie en fibres de l'étape d) avant son mélange à l'étape h) avec l'effluent de l'étape e). 3. Le procédé de la revendication 1, dans lequel l'étape e) de centrifugation (22, 24) est une étape de centrifugation à deux étages, les fractions concentrées en protéines de chacun des étages de centrifugation étant soumis au séchage (30) de l'étape f). 4. Le procédé de la revendication 3, dans lequel les fractions concentrées en protéines de chacun des étages de centrifugation sont soumises séparément au séchage (30) de l'étape f). 5. Le procédé de la revendication 1, dans lequel l'étape h) de concentration (26) d'une autre partie de l'effluent comprend la récupération d'une fraction liquide et le recyclage de cette fraction liquide comme liquide d'addition de l'étape a) de mélange (10). 6. Le procédé de la revendication 1, dans lequel l'étape c) de distillation (16) comprend la récupération d'un condensat liquide ou d'une fraction li- guide, et le recyclage de ce condensat ou de cette fraction liquide comme liquide d'addition de l'étape a) de mélange (10).