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Procédé pour la production simultanée d'alcool butylique et d'acétone par fermentation.
L'invention se rapporte à la fabrication d'al- cool butylique et d'acétone par fermentation d'hydrates de carbone.
Lorsque Fernbach eut établi que dans la fermen- tation d'hydrates de carbone ou de matières contenant des hydrates de carbone par des ferments du type "Bac. butyli- cus Fitz" à l'abri de l'air il se forme comme produits prin- cipaux de l'alcool butylique et de l'acétone, avec de peti- tes quantités d'autres alcools, ce procédé se développe ra- pidement aux Etats-Unis d'Amérique jusqu'à acquérir une gran-
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de importance industrielle. Comme matières premières on peut employer aussi bien des matières brutes naturelles amylacées que des produits saccharifères, les ferments de la fermentation acétono-bùtylique bactérienne pouvant trans- former eux-mêmes facilement l'amidon en monosaccharides par voie enzymatique.
L'alcool butylique et l'acétone sont for- més dans un rapport constant de 2 : 1 par tous les ferments employés jusuq'ici. Le rendement en "dissolvants" varie entre 21 et 25 % sur le mais sec. En outre, il se forme comme produits gazeux de la fermentation.de l'acide carbonique et de l'hydrogène.
Le développement de ce genre de fermentation jusqu'à l'état actuel de la technique a été favorisé sur- tout par la connaissance du fait que pour l'obtention ré- gulière de fermentations vigoureuses on doit se servir de dultures qui ne contiennent pas de formes végétatives mais uniquement des spores. On emploie pour cette raison pour l'ensemencement des cultures qu'on chauffe pendant un court intervalle de temps à environ 95 . En outre, on a constaté que les acides qui se développent pendant la fermentation ne doivent pas être neutralisés par de la craie. Au contrai- re, pour la marche normale de la fermentation il est néces- saire que l'acidité au début augmente continuellement jus- qu'à atteindre un maximum, pour tomber ensuite de nouveau graduellement jusqu'à la fin de la fermentation.
L'allure de la courbe de l'acidité a été reconnue comme étant un moyen de contrôle efficace de la marche de l'opération: lorsque l'acidité diminue très lentement ou même ne dimi- nue pas du tout, c'est un signe certain de la contamination des moûts ou de l'affaiblissement du ferment lui-même. La teneur en hydrate de carbone du moût doit se trouver nota- blement en-dessous des concentations qui sont admissibles
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dans la fermentation alcoolique; la limite supérieure est une teneur de 8 % en amidon.
Malgré une concentration plus faible, la viscosité des moûts qui sont obtenus par cuisson des produits initiaux sous pression, notamment dans le trai- tement de farine de mais, est cependant notable, c'est pour- quoi l'on a proposé d'effectuer cette cuisson sous pression avec addition de quantités limitées d'acide chlorhydrique, qui suffisent pour transformer les diphosphates contenus dans la farine en monophosphates. Enfin Fernbach a déjà recomman- dé d'ajouter au besoin au moût hydrocarboné de la levure désagrégée ou partiellement dégradée comme matière nutriti- ve. A côté de ces propositions plus ou moins importantes pour le développement technique du procédé on trouve, notam- ment dans des brevets,des indications sur différents orga- nismes auxquels on attribue des aptitudes spéciales pour ce procédé.
Suivant la présente invention, on laisse la fermen- tation principale s'effectuer dans des moûts qui ont été acidifiés avant la fermentation par l'addition d'acides or- ganiques, notamment d'acide lactique. Quel que soit l'orga- nisme qu'on emploie pour effectuer la fermentation acétono- butylique, on augmente ainsi la pureté de la fermentation et la sureté de sa marche normale et régulière. Les acides or- ganiques agissent d'une manière connue, en mélange avec les sels qu'ils forment avec des bases fortes, comme tampons, et empêchent ainsi la concentration en ions d'hydrogène de dé- passer certaines limites malgré l'augmentation de l'acidité pendant la fermentation.
Cette action spéciale, que les aci- des organiques exercent, en dehors de leur faculté de rédui- re le danger de fermentations accessoires, ne peut pas être
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obtenue par l'addition d'acides inorganiques. L'action de tamponnement automatique du système : acides organiques - sels de ces acides avec des bases fortes - est de préféren- ce encore augmentée par l'addition déjà connue de levure mortifiée ou autolysée ou par l'addition d'autres mélanges de matières à haut pouvoir tampon, qui représentent en même temps des substances nutritives azotées, par exemple des mélanges albumineux d'origine végétale. L'addition de com- posés d'ammonium, particulièrement de sels ammoniacaux ou d'urée, etc, est en outre recommandable.
Au lieu d'ajouter les acides organiques au moût, on peut les laisser se former dans celui-ci par fermentation; comme par exemple l'acide lactique obtenu par la fermenta- tion lactique habituelle de la fabrication de la levure.
L'acidité initiale du moût (acidité titrable est de préférence fixée à 1,4- 1,6. (Les degrés d'acidité donnés ici et dans la suite ihdiquent le nombre de cm3 d'une solu- tion de soude caustique normale nécessaire pour neutraliser 100 cm3 du milieu,le bleu bromthymol étant employé comme in- dicateur). Le ph doit être compris entre 5 et 4,6 au com- mencement de la fermentation pour une valeur de tamponnage de 4 au,moins.
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La valeur de tawiJonnageZ7est exprimée mathémati- quement comme quotient différentiel de ph par rapport à l'ajoute d'acide ou de base, et, dans le sens précis, comme quotient différentiel partiel pour une valeur déterminée de ph. La valeur numérique du tamponnage est comme on sait dé- terminée par la mesure des variations du ph résultant de l'addition d'une petite quantité déterminée d'acide ou de base dans une quantité déterminée du milieu de fermentation.
Les additions doivent.théoriquement être infiniment petites;
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en pratique la limite inférieure est donnée par l'exactitude de la méthode de détermination du ph. Pour obtenir des ré- sultats comparables, la quantité d'acide (ou de base) ajou- tée doit être constante dans tous les essais. Les valeurs de Ò indiquées sont déterminées par la méthode connue sui- vante. On prélève chaque fois trois échantillons du milieu de fermentation, chacun de 1 cm3, simultanément. Dans l'un de ces échantillons on mesure le ph par une méthode usuelle.
Au second échantillon on ajoute 0,5 cm3 n/100 H2 SO4 (solu- tion centi-norinale d'acide sulfurique) et au troisième 0,5 cm3 n/100 Na OH, (solution centi-normale de soude caustique), puis on mesure la valeur ph par la même méthode dans ces deux échantillons également. Les variations de la valeur ph sont inversement proportionnelles à la valeur de tampon- nage. Ces variations doivent avoir théoriquement la même valeur avec des signes différents. Pratiquement, il existe entre les variations de la valeur ph qui sont provoquées par des doses équivalentes d'acides et de bases, des différences souvent assez grandes. Dans la détermination pratique on prend pour,?(' la moyenne arithmétique des variations de la valeur ph du côté acide et du côté alcalin. Pour la déter- mination de ph on emploie la méthode connue du Dr. Peter Wulff (Brevet allemand 405.091).
Il convient de contrôler aussi la marche de la fer- mentation, en employant cette méthode de détermination, par des mesures périodiques du degré de tamponnage pour adapter la valeur Ò à la variation de l'acidité, de façon qu'elle augmente en même temps que celle-ci et atteigne de préfé- rence sa valeur la plus élevée au maximum de l'acidité. Si l'on constate que le degré de tamponnement n'est pas assez élevé au cours de la fermentation principale, on remédie à cet état de choses en ajoutant ultérieurement au moût des
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matières à haut pouvoir tampn,par exemple des lactates, des tartrates, des citrates ou des oxalates.
Pour effectuer la fermentation les semences qui doivent servir au travail courant se préparent à partir des cultures contenant uniquement des spores, comme c'est d'usa- ge général, par propagation en plusieurs parties de volumes croissants, jusqu'à ce que finalement la quantité nécessaire pour amorcer le moût principal soit obtenue.
On prépare aussi de la manière habituelle les moûts pour la grande fermentation. La concentration optimum en amidon ou en sucre est de 6 à 7 %.
EXEMPLE D'EXECUTION -------------------
100 litres de moût doivent contenir environ 35 à 37 kg. de pommes de terre ou 9 à 10 kg. de farine de mais.
D'autres matières amylacées sont préparées suivant leur te- neur en mats pour former des moûts de même concentration (6 à 7 % d'amidon pur). On introduit les pommes de terre entières et le mais ou autre matière analogue sous forme de farine, avec une quantité d'eau appropriée, dans des au- toclaves pourvus de mécanismes agitateurs, et on les sou- met à la cuisson sous une pression de 2 à 3 atmosphères pen- dant environ 1 à 2 heures'.. L'addition de matière nutritive (levure mortifiée ou autolysée ou germes de malt en combi- naison avec de l'urée oÙ du phosphate d'ammonium ou du sul- fate d'ammonium ou avec des matières azotées analogues en combinaisons les plus diverses) est faite au moût de pré- férence .déjà dans l'autoclave.
Des compositions appropriées consistent par exemple en: 100 1. de moût pour 125 g. de levure mortifiée ou dégradée, 125 g. de germes de malt et 40 g. de sulfate d'ammonium. Le moût est chassé directement dans des cuves de fermentation soigneusement stérilisées au @
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préalable et pourvues d'agitateurs, qui sont complètement fermées et munies de rallonges appropriées pour recueillir les gaz qui se dégagent.
Après avoir établi l'acidité ini- tiale voulue, pour l'obtention de laquelle on ajoute de pré- férence 80 à 90 cm3 d'un acide lactique à 80 % pour 100 1. de moût, on refroidit le moût, par exemple par des réfrigé- rants adaptés à l'intérieur de la cuve, jusqu'à la tempéra- ture de fermentation de 37 à 38 C; on peut toutefois aussi le faire passer dans ce but à travers des échangeurs de chaleur intercalés.
Lorsque le moût principal est prêt à être amorcé l'amorce de bactéries de volume approprié doit aussi être préparée. Pour sa préparation,par exemple, une culture sporulée de l'espèce Bacterium Amylobacter A.M. et Brede- mann examinée empiriquement au point de vue de son aptitude à provoquer la fermentation acétono-butylique est, après un chauffage de courte durée à environ 90 , introduite dans 100 cm3 d'un milieu nutritif préparé à peu près de la même manière que le moût principal, après quoi on la laisse se développer dans des conditions anaérobies à 37-38 C. Après 48 heures environ, la croissance et le développement¯des oides commencent.
Lorsqu'on s'est assuré de la qualité irréprochable de la culture, on procède au transfert dans 2 litres environ de moût stérile de même nature et après 24 heures dans 20 litres environ de moût semblable. Après une nouvelle période de 24 heures, ces 20 litres sont introduits dans un moût préalablement préparé de 200 à 300 litres, qui au bout d'un nouvel intervalle de 24 heures est versé dans le moût principal qui a été entretemps rendu prêt à être ensemencé.
Pendant la fermentation du moût principal on procède
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au moins quatre fois par jour, en dehors du contrôle de la fermentation pratiqué habituellement par l'examen bactério- logique et par l'allure de la courbe de l'acidité titrable, à la détermination du ph et de la valeur de tamponnage,' ce qui conduit dans certaines circontances à l'addition de nouvelles matières tampon. Au bout d'une fermentation d'envi-.: ron 30 à 32 heures, pendant laquelle le moût fermentant doit être remué avec précaution, on atteint le point culmi- nant de la fermentation et par conséquent le maximum d'aci- dité.
Lorsque la fermentation est terminée, les produits principaux obtenus (alcool butylique et acétone) sont re- tirés suivant le procédé habituel par distillation fraction- née. Les autres alcools sont en quantités trop faibles pour que leur récupération séparée paraisse économique.
L'hydrogène et l'acide carbonique qui se dégagent pendant la fermentation peuvent, comme cela se fait d'ail- leurs actuellement aussi,être utilisés, de même que les résidus contenant des matières nutritives de valeur pour le bétail.
REVENDICATIONS @
1.- Procédé pour la fabrication simultanée d'alcool butylique et d'acétone par fermentation, caractérisé en ce que le moût de la fermentation principale est acidifié par addition ou formation fermentative d'acides organiques non volatils, notamment d'acide lactique.
2. - Mode d'exécution du procédé suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'on ajoute au moût des mé- langes de matières à haut pouvoir tampon, qui servent en même temps de matière. hutritive azotée.
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