Brevet FR2967164A1 — publié le 20120511

La présente invention a pour objet un procédé de préparation de compositions à base de polypentosides d'alkyle à haut degré de polymérisation à partir de biomasse lignocellulosique. Les polyglycosides d'alkyle sont des composés tensioactifs non ioniques bien connus (J.A.C.S. 60, 2076, 1938 ; US 6 156 543 ; US 5 688 930). Ils peuvent être utilisés seuls ou en association avec d'autres tensioactifs dans un large domaine d'applications industrielles. Les propriétés recherchées par les utilisateurs dépendent essentiellement des secteurs d'applications. Parmi cette famille de composés, les polypentosides d'alkyle sont utilisés comme agents tensioactifs dans la formulation de détergents, de produits cosmétiques ou de formulations agrochimiques. Parmi ces secteurs d'applications, il existe des cas pour lesquels les polypentosides d'alkyle présentent des lacunes techniques. En particulier, dans certaines formulations, la plus faible solubilité des polypentosides d'alkyle comparée aux polyglucosides complique la mise en forme finale des produits et nécessite l'ajout d'agents solubilisant supplémentaires et parfois coûteux. Une solution à cette lacune est d'augmenter le degré de polymérisation des polypentosides d'alkyle. Cette démarche implique la mise en place d'un procédé de synthèse comportant plusieurs étapes supplémentaires comparé au procédé d'origine. On trouve dans la littérature des procédés de synthèse chimique de polyglycosides d'alkyle de haut degré de polymérisation. Il est connu de l'homme de l'art que la synthèse de polyglycosides d'alkyle par réaction de Fisher entre un alcool et un sucre, fournit un mélange de glycosides. Ce mélange contient majoritairement les monoglycosides d'alkyle puis, des espèces de polyglycosides d'alkyle de degré de polymérisation supérieur en pourcentage progressivement décroissant. Cette distribution des polyglycosides est appelée distribution selon Flory comme rappelé dans le brevet US 5 449 763. On peut d'ailleurs représenter des compositions de polyglycosides d'alkyle par la formule suivante : 15 R-O- (X) p, où - R représente un radical alkyle, - X représente le reste d'un saccharide, et - p est un nombre décimal et représente le degré de 20 polymérisation moyen. Ces méthodes de synthèse fournissent difficilement des mélanges de glycosides de qualité acceptable et dont le degré de polymérisation moyen est supérieur à 1,5. Une première méthode permettant d'atteindre ou de dépasser un 25 tel degré de polymérisation consiste à séparer les monoglycosides d'alkyle du reste des polyglycosides. Les techniques décrites dans les brevets US 5 449 763 et US 6 077 945 consistent à éliminer les monoglycosides d'alkyle du brut de réaction soit par distillation 30 moléculaire, soit par l'emploi d'un catalyseur particulier permettant de récupérer en fin de procédé les monoglycosides sous forme de pâte et les oligoglycosides d'alkyle sous forme de poudre. Ces méthodes présentent l'inconvénient d'être complexes dans leur mise en oeuvre d'une part, et d'autre part, de devoir éliminer une partie du produit sous forme de monoglycosides d'alkyle pour l'obtention de haut degré de polymérisation. Ceci n'est pas tenable de nos jours où les procédés de synthèses doivent suivre les principes de chimie verte et doivent en conséquence fournir un bilan carbone le plus avantageux possible. D'autres procédés de synthèses de polyglycosides d'alkyle de haut degré de polymérisation ont été décrits dans les brevets US 5 756 072 et US 5 955 587 et font intervenir une étape supplémentaire de post-polymérisation du mélange de polyglycosides d'alkyle obtenu par réaction de Fisher. Ces méthodes ne sont pas non plus satisfaisantes dans le sens où le procédé comporte nécessairement une étape supplémentaire et donc implique une consommation énergétique supplémentaire grevant ainsi le prix de revient des compositions tensioactives. De plus, ces procédés fournissent des polyglycosides d'alkyle de couleur prononcée liée au traitement thermique appliqué au cours de la post-polymérisation. Il existe donc un besoin pour de nouvelles méthodes de synthèse de polyglycosides d'alkyle de haut degré de 25 polymérisation. Lors de ses recherches ayant pour objectif de préparer des agents tensioactifs à performances améliorées par rapport aux polyglycosides d'alkyle de l'état de l'art, la demanderesse a trouvé qu'il était possible d'obtenir 30 directement à partir de biomasse lignocellulosique des polypentosides d'alkyle de degré de polymérisation élevé, notamment supérieur à 1,5, par l'utilisation d'un procédé enzymatique. Les compositions obtenues selon le procédé de l'invention peuvent être utilisées en tant qu'agents tensioactifs pour la préparation de détergents, de cosmétiques ou de formulations agrochimiques. L'invention vise un procédé de préparation de compositions de polypentosides d'alkyle à partir de biomasse lignocellulosique et dont le degré de polymérisation moyen est supérieur à 1,5. Le procédé de préparation de telles compositions est caractérisé en ce qu'il consiste : 1) à mettre un ou plusieurs matériaux végétaux lignocellulosiques de plantes annuelles et pérennes et comportant au moins des hémicelluloses en contact avec de l'eau (rapport massique matériaux végétaux/eau de 1/100 à 1), entre 20 et 200°C, de préférence entre 70 et 150°C, pendant au moins 5 secondes, puis à éventuellement éliminer le résidu solide de la solution obtenue, 2) puis, à mettre en contact la solution obtenue avec 0,1 à 50 U.I. par millilitre de solution d'au moins une souche ou enzyme présentant au moins une activité choisie parmi le groupe d'activités xylanase, arabanase, arabanase, hémicellulase, (U.I. correspondant à _la quantité d'enzyme qui transforme une micromole de substrat en 1 minute) et au moins un alcool ayant de 1 à 36 atomes de carbone (rapport massique alcool/matériaux végétaux inférieur à 10) à une température comprise entre 20 et 100°C, de préférence entre 50 et 80°C, pendant au moins 1 minute pour obtenir une composition de polypentosides d'alkyle de haut degré de polymérisation moyen, 3) enfin, si cela est nécessaire, à débarrasser la 5 composition de l'alcool n'ayant pas réagi. On préférera les compositions de polypentosides d'alkyle ayant un degré de polymérisation moyen supérieur à 1,5, et tout particulièrement celles de degré de polymérisation moyen supérieur à 2. 10 On entend par plante annuelle toute plante ayant une vie végétative de l'ordre d'une année (comme les céréales et graminées diverses telles que le maïs, le sorgho, l'orge et le blé, le chanvre, le lin, la canne à sucre...) et par plante pérenne, dès plantes dont le développement s'étend 15 sur une période plus longue (comme les bambous, les bois feuillus, bois résineux...). Les matériaux végétaux lignocellulosiques sont les plantes entières ou des parties desdites plantes (tiges, écorces, ...) ou des coproduits de filières industrielles 20 de production à finalité alimentaire (paille de blé, riz, orge, bagasse de canne à sucre, bagasse de sorgho sucrier, ...) contenant au moins 1% en poids d'hémicelluloses. Ces matériaux peuvent également être des xylanes ou hémicelluloses plus ou moins purs. 25 On utilisera un ou plusieurs alcools ayant des radicaux alkyles de 1 à 36 atomes de carbone. Des exemples typiques de radicaux alkyles sont les radicaux méthyle, éthyle, butyle, octyle, allyle, propargyle, amyle, isoamyle ainsi que les radicaux provenant des alcools ou 30 acides caprique, laurique, myristique, palmitique, stéarique, oléique et érucique et plus généralement les radicaux issus d'acides d'origine végétale ou d'alcools synthétisés par hydrogénation des acides gras ou esters d'acides gras d'origine végétale. On pourra également choisir des radicaux alkyles provenant d'alcools d'origine terpéniques ou d'alcools techniques issus de l'hydrogénation d'aldéhydes d'origine pétrochimique. On effectue la mise en contact du matériau lignocellulosique avec l'eau pendant au moins 5 secondes et de préférence pendant 5 à 240 minutes dans un mélangeur. On entend par mélangeur, tout système permettant une mise en contact efficace, notamment, un ou plusieurs réacteurs agités de type batch, ou tubulaires ou alors de type extracteurs à bandes. Dans le cas de plusieurs réacteurs, ceux-ci pourront être utilisés en série ou cascades. L'opération pourra également être réalisée en continu. On pourra opérer à pression atmosphérique, ou alors dans un réacteur sous pression de 1 à 100 bars. Pour recueillir la solution ainsi obtenue on pourra éliminer le résidu solide s'il est présent par filtration. La filtration pourra se faire à l'aide de tout équipement adapté comme un filtre à panier ou poche, un décanteur statique ou centrifuge. On effectue ensuite la mise en contact de la solution obtenue, débarrassée ou non du résidu, avec au moins une xylanase et au moins un alcool dans un mélangeur, de préférence à pression atmosphérique. En fin de réaction, si nécessaire, on pourra évaporer les alcools en excès sous vide compris entre 0,1 et 100 mbar à une température comprise entre 60 et 200 °C, de préférence au moyen d'un évaporateur couche mince. On pourra également purifier la composition de polypentosides d'alkyle soit par chromatographie sur colonne de gel de silice, d'alumine, de charbon actif ou sur résine échangeuse d'ions, soit par cristallisation dans un solvant. Si besoin, on pourra décolorer les compositions en ajoutant à une température comprise entre 15 et 100°C, 0,05 à 20 % en poids et de préférence de 0,5 à 10 % en poids de peroxyde d'hydrogène, de peroxodisulfates de métaux alcalins ou alcalino-terreux, de perborates, de persulfates, de perphosphates, de percarbonates, d'ozone ou encore de periodates. On préférera le peroxyde d'hydrogène à 30 ou 50 % de matière sèche. Les compositions obtenues selon le procédé de la présente invention possèdent des propriétés tensioactives. Les exemples suivants illustrent l'invention, sans toutefois la limiter : EXEMPLE 1 : Procédé de préparation de composition tensioactive selon l'invention On met en suspension 5 g de son désamylacé comportant 1 % d'amidon, 16 % de protéines, 47 % d'hémicelluloses sous la forme de pentosanes, 50 g d'eau que l'on porte dans un autoclave à une température de 135°C pendant 1 heure. On élimine par filtration le résidu lignocellulosique de la solution obtenue. On rince avec 60 mL d'eau. 1,5 mL du filtrat correspondant à une quantité de 50 mg d'arabinoxylanes est placé dans un réacteur agité en présence d'une concentration de 20 UI/ml de xylanase, de 200 pL de tert-butanol, de 200 pL de n-octanol, on complète avec de l'eau pour obtenir un volume final de 1 mL. L'incubation est effectuée à une température de 60°C pendant 1 heure. On ajoute 500 pL de tert-butanol et on incube 10 min à 100°C pour stopper la réaction. On centrifuge 10 min à 2000 G, puis on récupère la phase organique et les alcools gras en excès sont séparés du filtrat par distillation sur évaporateur couche mince. On obtient une composition n°1 de degré de polymérisation moyen égale à 2,3. EXEMPLE 2 : Procédé de préparation de composition tensioactive selon l'invention On met en suspension 70 g de xylanes de bouleau dans 840 mL d'eau dans un réacteur agité en présence d'une concentration de 20 UI/ml de xylanase, de 280 mL de tert- butanol et de 280 mL de n-octanol pendant 2 minutes à 25°C. L'incubation est effectuée à une température de 60°C pendant 1 heure. On incube 10 min à 100°C pour stopper la réaction. On centrifuge 10 min à 2000 G, puis on récupère la phase organique et les alcools gras en excès sont séparés du filtrat par distillation sur évaporateur couche mince. On obtient une composition n°2 de degré de polymérisation moyen égale à 1,63. Le degré de polymérisation moyen de la composition est 20 obtenu par analyse HPLC selon les conditions suivantes : Colonne Nucleodur 100-5C18 ec, 250mm*4mm; éluant acétonitrile/eau 40/60, débit 0.6 mLmin-1; détecteur à diffusion de lumière PL-ELS1000 Polymer Laboratories (TEb - 40°C, T Neb - 70°C). 25 Les standards, mono, di et trixylosides d'octyle sont utilisés comme étalons. Ces produits ont été obtenus précédemment sous forme pure et possèdent les caractéristiques suivantes : 5 RMN : appareil Brucker DRX 500, solvant D20 + ^ CD30D, référence TMS, 500.13 MHz pour 1H et 125.76 MHz pour 13C H1 4.25 n 7.8 Hz Cl 104.1 H2 3.11 dd 7.8 / 9.2 Hz C2 74.1 H3 3.29 t 9.2 Hz C3 76.9 H4 3.47 m C4 70.3 H5 3.18 t 11.4 Hz C5 66.2 3.81 dd 5.2 / 11.4 Hz CH2 (1) 3.73 m CH2 (1) 71.7 3.53 m CHZ (2) 1.50 quint, 6.9 Hz CH2 (2) 32.2 CH2 (3) à (7) 1.20 à 1.26 m CH2 (3) à (7) 29.9, 29.6, 29.5, 26.2, 23.1 CH2 0.76 t 6.9 Hz CH2 14.4 B A RMN : appareil Brucker DRX 500, solvant D20, référence TMS, 500.13 MHz pour 1H et 125.76 MHz pour 13C 10 A B A B H1 4.35 d 7.6 Hz 4.43 n 7.7 Hz Cl 102.9 101.8 H2 3.28 m 3.26 m C2 72.9 72.6 H3 3.54 dd 8.5/9.4 Hz 3.42 dd 8.8/9.2 Hz C3 73.9 75.6 H4 3.75 dt 4.8/9.4 Hz 3.61 m C4 76.2 69.1 H5 3.34 dd 9.4/11.5 Hz 3.29 m C5 62.9 65.2 4.05 dd 4.8/11.5 Hz 3.96 dd 5.3/11.4 CH2 (1) 3'82 m CH2 (1) 70.4 3.60 m CH2 (2) 1.61 quint 6.2 Hz CH2 (2) 29.2 CH2 (3) 1.32/1.29*2/1.26/1.27 m CH2 (3) à (7) 31.5/28.9*2/25.4/22.3 à (7) CH3 0.85 m CH3 13.2 RMN : appareil Brucker DRX 500, solvant D20, référence TMS, 500.13 MHz pour 1H et 125.76 MHz pour 13C A B C A B C H1 4.38 d 7.6 Hz 4.46 D 8.0 Hz 4.44 D 8.0 Hz Cl 102.7 101.6 101.7 H2 3.24 m 3.25 m 3.29 m C2 72.7 72.7 72.5 H3 3.53 m 3.53 m 3.40 dd 9.1/9.5 Hz C3 73.6 73.6 75.5 H4 3.76 m 3.74 m 3.61 m C4 76.3 76.3 69.0 H5 3.36 m 3.36 m 3.29 m C5 62.8 62.8 65.1 4.03 m 4.08 m 3.95 dd 5.2/11.5 Hz CH2 (1) 3.83 m CH2 (1) 70.5 3.63 m CH2 (2) 1.59 m CH2 (2) 28.6 CH2 (3) à (7) 1.26 à 1.29 m CH2 (3) à (7) 28.2 CH3 0.84 m CH3 13.2 EXEMPLE 3 : Procédé de préparation de composition tensioactive selon l'invention On met en suspension 25 g de xylane de bouleau comportant 10 67 % d'hémicelluloses sous la forme de pentosanes, dans 475 g d'eau à 25°C dans un réacteur agité pendant 1 minute, puis on ajoute une concentration de 30 UI/ml de xylanase, 25 mL de n-pentanol que l'on porte à une température de 50°C pendant 1 heure. La réaction est 15 stoppée par une incubation de 10 min à 100°C. Après centrifugation 10 min à 2000 G, on récupère la phase organique et les alcools gras en excès sont séparés du filtrat par distillation sur évaporateur couche mince. On obtient une composition n°3 de degré de polymérisation 20 moyen égale à 2.16.5 Le degré de polymérisation moyen de la composition est obtenu par analyse HPLC selon les conditions suivantes : Colonne Nucleodur 100-5C18 ec, 250mm*4mm; éluant acétonitrile/eau 20/80, débit 0.6 mLmin-1; détecteur à diffusion de lumière PL-ELS1000 Polymer Laboratories (TEb = 65°C, T Neb = 85°C). Les standards, mono, di et trixylosides de pentyle sont utilisés comme étalons. Ces produits ont été obtenus précédemment sous forme pure et possèdent les caractéristiques suivantes : (2) (4) OH (1) (3) RMN : appareil Bruc.ker DRX 500, solvant D20, référence TMS, 500.13 MHz pour 1H et 125.76 MHz pour 13C Hl 4.32 0 7.9 Hz Cl 102.8 H2 3.16 dd 7.9 / 9.3 Hz C2 72.9 H3 3.34 t 9.2 Hz C3 75.7 H4 3.54 m C4 69.1 H5 3.23 t 11.6 Hz C5 65.0 3.86 dd 5.6 / 11.4 Hz CH2 (1) 3.78 dt 6.8 / 9.8 Hz CH2 (1) 70.7 3.59 dt 6.8 / 9.8 Hz CHZ (2) 1.50 m CH2 (2) 28.4 CH2 (3) 1.26 m CH2 (3) 27.2 CH2 (4) 1.30 m CH2 (4) 21.6 CH3 0.80 t 7.5 Hz CH3 13.2 RMN : appareil Brucker DRX 500, solvant D20, référence 20 TMS, 500.13 MHz pour 1H et 125.76 MHz pour 13C OH (1) (3) A B HO HO A B A B H1 4.39 d 7.9 Hz 4.44 D 7.8 Hz Cl 102.7 101.8 H2 3.25 dd 7.9 / 9.2 Hz 3.23 dd 7.8 / 9.3 Hz C2 72.9 72.7 H3 3.53 t 9.2 Hz 3.41 t 9.3 Hz C3 73.8 75.5 H4 3.75 ddd 5.3 / 9.2 / 10.2 Hz 3.60 ddd 5.4 / 9.3 /10.4 Hz C4 76.3 69.1 H5 3.36 dd 10.2 / 11.8 Hz 3.28 dd 10.4 /11.5 Hz C5 62.8 65.1 4.05 dd 5.3 / 11.8 Hz 3.95 dd 5.4 / 11.5 Hz CH2 (1) 3.84 dt 6.8 / 9.8 Hz CH, (1) 70.8 3.65 dt 6.8 / 9.8 Hz CH2 (2) 1.60 quint, 7.0 CH2 (2) 28.4 Hz CH2 (3) 1.31 m CH2 (3) 27.3 CH2 (4) 1.30 m CH2 (4) 21.6 CH3 0.86 t 7.0 Hz CH3 13.2 RMN : appareil Brucker DRX 500, solvant D2O, référence TMS, 500.13 MHz pour 1H et 125.76 MHz pour 13c A B C A B C H1 4.38 d 7.9 Hz 4.44 D 7.9 Hz 4.42 D 7.9 Hz Cl 102.7 101.6 101.8 H2 3.23 dd 6.3/7.9 Hz 3.21 dd 6.3/7.9 Hz 3.25 dd 7.9/9.5 Hz C2 72.9 72.7 72.6 H3 3.51 m 3.51 dd 6.3/9.1 Hz 3.39 dd 9.1/9.5 Hz c3 73.6 73.8 75.5 H4 3.75 m 3.73 m 3.58 ddd 5.5/9.1/10.5 Hz C4 76.3 76.3 69.1 H5 3.36 m 3.33 m 3.27 dd 10.5/11.8 Hz C5 62.8 62.9 65.1 4.03 dd 5.3/11.8 Hz 4.06 dd 5.3/11.8 Hz 3.93 dd 5.5/11.8 Hz CH2 3.82 dt 6.8/9.8 Hz CH2 (1) 70.7 (1) 3.63 dt 6.8/9.8 Hz CH2 1.58 tt 6.8/7.0 Hz CH2 (2) 28.4 (2) CH2 1.29 m CH2 (3) 27.2 (3) CH2 1.28 m CH2 (4) 21.7 (4) CH3 0.84 t 7.0 Hz CH3 13.2 5 EXEMPLE 4 : Propriétés tensioactives des compositions n° 2 et 3 La concentration micellaire critique lorsqu'elle apparaît sur la gamme de concentration étudiée, et la C20 (concentration nécessaire pour abaisser la tension de surface à une valeur de 53 mN/m (exprimée en mg/1) sont mesurées pour chaque composition par la technique de la lame de Wilhelmy à 40°C. Les concentrations micellaires critiques (CMC) et C20 ainsi que les tensions de surface ont été déterminées à 40°C à l'aide d'un tensiomètre K100 commercialisé par la société KRUSS. Les solutions de tensioactifs ont été réalisées avec de l'eau ultra-permutée. L'ensemble des résultats est reporté au tableau suivant : CMC (mg/1) C20 (mg/1) y CMC (mN/m) y (10%) (mN/m) Composition n°2 4230 200 27 27 Composition n°3 - 40000 - 35 5 REVENDICATIONS1. Procédé de préparation de compositions tensioactives, caractérisé en ce qu'il comprend les stades suivants . 1) mettre un ou plusieurs matériaux végétaux lignocellulosiques de plantes pérennes et comportant au hémicelluloses en contact avec de annuelles et moins des l'eau (rapport 10 15 20 25 30 massique matériaux végétaux/eau de 1/100 à 1), entre 20 et 200°C, de préférence entre 70 et 150°C, pendant au moins 5 secondes, puis à éventuellement éliminer le résidu solide de la solution obtenue, 2) puis, mettre en contact la solution obtenue avec 0,1 à 50 U.I. par millilitre de solution d'au moins une souche ou enzyme présentant au moins une activité choisie parmi le groupe d'activités xylanase, arabinase, arabanase, hémicellulase, (U.I. correspondant à la quantité d'enzyme qui transforme une micromole de substrat en 1 minute) et au moins un alcool ayant de 1 à 36 atomes de carbone (rapport massique alcool/matériaux végétaux inférieur à 10) à une température comprise entre 20 et 100°C, de préférence entre 50 et 80°C, pendant au moins 1 minute pour obtenir une composition de polypentosides d'alkyle de haut degré de polymérisation moyen, 3) enfin, si cela est nécessaire, débarrasser la composition de l'alcool n'ayant pas réagi.2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la composition de polypentosides d'alkyle possède un degré de polymérisation moyen supérieur à 1,5. 3. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la composition de polypentosides d'alkyle possède un degré de polymérisation moyen supérieur à 2. 10 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les matériaux végétaux ligno-cellulosiques représentent les plantes entières ou des parties des dites plantes (tiges, écorces, _) 15 ou des co-produits de filières industrielles de production à finalité alimentaire (paille de blé, riz, orge, bagasse de canne à sucre, bagasse de sorgho sucrier, _) ou des xylanes ou hémicelluloses. 20 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ou les alcools utilisés sont choisis parmi les alcools ayant comme radicaux alkyles les radicaux méthyle, éthyle, butyle, octyle, allyle, propargyle, amyle, isoamyle ainsi que les 25 radicaux provenant des alcools ou acides caprique, Taurique, myristique, palmitique, stéarique, oléique et érucique et plus généralement les radicaux issus d'acides d'origine végétale ou d'alcools synthétisés par hydrogénation des acides gras ou esters d'acides 30 gras d'origine végétale, les radicaux alkyles provenant d'alcools d'origine terpéniques ou d'alcools techniques issus de l'hydrogénation d'aldéhydes d'origine pétrochimique.5 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la mise en contact entre l'eau et le matériau lignocellulosique s'effectue pendant 5 à 240 minutes dans un mélangeur. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'on opère à pression atmosphérique ou dans un réacteur sous pression de 1 à 100 bars. 10 8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que l'on recueille la solution après élimination du résidu solide par filtration. 15 9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on effectue la mise en contact de la solution, débarrassée ou non du résidu, avec au moins une xylanase et au moins un alcool dans un mélangeur. 20 10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'on évapore les alcools en excès sous un vide compris entre 0,1 et 100 mbar à une température comprise entre 60 et 200°C, de 25 préférence au moyen d'un évaporateur à couche mince.5