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Procédé de saccharification de la cellulose, pour l'obtention de solutions de sucre convenant pour la production d'alcool industriel.
L'on sait qu'il est possible d'obtenir par hydrolyse à partir de cellulose et de toutes les substances ligneuses, des solutions de sucre adaptées pour subir diverses sortes de fermentations.
Les procédés qui ont été proposés et appliqués jusqu'ici à cette fin peuvent être divisés en deux classes très distinctes: une première., dans laquelle on se sert de solutions diluées diacides minéraux (généralement les acides sulfurique., sulfureux, chlorhydrique, etc.) sous des pressions
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et des températures élevées, et une autre, basée sur l'emploi d'acide chlorhydrique hyperconcentré ou d'acide sulfurique concentré.
Les deux procédés ci-dessus ont été utilisés, sous les conditions de traitenient différentes correspondantes, dans diverses applications, ni l'un ni l'autre de ces procédés n'étant cependant exempts de difficultés et d'inconvénients ayant pour effet un rendement réduit et des dépenses d'ex- ploitation élevées.
Il est, en effet, facile de calculer à partir de la formule :
EMI2.1
n C6HI005 + (n-l) i20 = C6Hl296 que pour 100 parties en poids de cellulose libre ou de cellu- lose contenue dans la matière ligneuse utilisée, il est possible d'obtenir 111 parties de sucres fermentables, et l'on sait éga- lement que le degré de rendement atteint avec divers procédés, au laboratoire et plus particulièrement dans les installations commerciales, diffère beaucoup du résultat ci-dessus. Tout cela, sans tenir compte de la quantité supplémentaire de ma- tière sucrée fermentable due aux pentosanes.
Dans les procédés utilisant des acides dilués et des pressions et des températures élevées, une quantité*assez notable du sucre produit par la saccharification se trouve matériellement détruite du fait de la température élevée, ou en tout cas devient inutilisable du fait de la formation simultanée de produits qui sont toxiques pour les ferments, tels que les phénols, le furfurol, etc.
Un perfectionnement dans l'usage des acides dilués a été fourni par le procédé Scholler-Thornesch, suivant lequel la matière cellulosique est placée dans un autoclave (percola- teur) approprié, traversé par une circulation de solution acide
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à une température d'environ 180 C.
Les avantages dudit procédé, permettant de sous- traire continuellement les produits de la saccharification à l'action de la température élevée, sont très marqués. Le rendement du procédé Scholler atteint normalement 20 à 24 litres d'alcool (lorsque la solution obtenue a été soumise à une fermentation alcoolique) pour chaque 100 kg. de matière ligneuse convenablement séchée.
Un tel rendement est cependant bien inférieur au rendement théorique qui, en moyenne, devrait être supérieur à 35 litres d'alcool; de plus, ledit procédé n'est pas exempt de difficultés en ce qui concerne les moyens employés pour fournir les pressions et les températures né- cessaires, et il fournit des solutions fermentables trop di- luées, nécessitant une grande quantité de combustible pour en faire distiller ainsi qu'une installation très en- combrante pour-la phase de fermentation.
Les procédés basés sur l'usage d'acides concentrés, bien que fournissant des rendements plus élevés, n'ont pas été appliqués d'une manière étendue du fait des métaux spéciaux, coûteux, nécessaires dans les installations correspondantes, ainsi que du fait des difficultés économiques et techniques impliquées par ces procédés.
En utilisant de l'acide chlorhydrique concentré, on a trouvé que la concentration minima nécessaire pour atteindre un degré de saccharification élevé était de 40 à 42% d'acide chlorhydrique, l'acide chlorhydrique de con- centration normale s'étant avéré comme ayant une activité très réduite, voirememe nulle. Ce procédé a été réalisé par Bergius dans une installation en fonctionnement à l'heure .actuelle, dans laquelle le rendement serait, dit-on, de 60 kg. de sucre pour chaque 100 kg. de matière ligneuse sèche, les deux tiers de ce sucre étant transformables en alcool.
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L'installation pour la réalisation du procédé de Bergius est cependant coûteuse et nécessite des moyens de fonctionnement spacieux et compliqués (l'utilisation d'acide chlorhydrique d'une telle concentration nécessitant l'emploi de récipients fermés fonctionnant à des pressions élevées)., la récupération de l'acide étant également difficile, tandis qu'une perte considérable est causée par la portion d'acide chlorhydrique non récupérée, ainsi que par les dépenses d'ex- ploitation élevées dues aux difficultés qui se présentent dans le fonctionnement de l'installation, et à la détérioration ra- pide des divers organes.
Les procédés proposés dans le cas de l'utilisation d'acide sulfurique concentré sont basés sur l'emploi d'un acide concentré à environ 72%, l'expérience ayant montré que les concentrations plus élevées détruisent la cellulose en la carbonisant, tandisque les concentrations inférieures à 72% fournissent des rendements trop faibles. Quoi qu'il en soit,l'usage d'acide sulfurique concentré n'a pas été tenté en pratique du fait de la consommation élevée d'acide, ainsi que des difficultés éprouvées pour sa récupération, et cela malgré le grand nombre de brevets accordés dans ce domaine.
Suivant la présente invention, on utilise de l'a- cide sulfurique, étant donné que cet acide est sans aucun doute le plus aisé à se procurer en grandes quantités pour l'usage envisagé, les installations qui le produisent existant en presque tous les endroits, et aussi en raison du fait qu'il est d'un maniement plus commode, dans des ins- tallations moins coûteuses.
Le procédé suivant l'invention est basé sur le fait que l'on cherche à satisfaire les meilleures conditions pour réduire au minimum la consommation d'acide, en prenant avan- tage de sa capacité très élevée de production de sucre aussi
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bien à chaud qu'à froid, de manière à réaliser, avec des dépenses modérées et à l'aide d'une installation simple et facile à exploiter, les rendements les plus élevés en sucre sous les meilleures conditions de fermentabilité.
Les conditions nécessaires pour l'application du procédé suivant la présente invention sont les suivantes:
1. La séparation en deux étapes pour la décompo- sition des polysaccharures.. consistant à séparer à partir de la matière ligneuse les sucres, l'hémicellulose et d'une manière générale tous les constituants (y compris les cons- tituants nuisibles) pouvant être rapidement et:aisément hydra- tés et séparés par la chaleur au moyen d'une pression et d'une température modérées, et à traiter ensuite le résidu avec de l'acide concentré froid.
2. A mélanger le résidu obtenu suivant 1, ou bien la matière cellulosique initiale, avec de l'acide sulfurique de concentration supérieure à 72%, dans des conditions appro- priées, afin d'empêcher la destruction de la cellulose.
3. Traitement mécanique très poussé pour l'obten- tion, au moyen d'un mélange poussé des résidus (obtenus à partir de 1), une saccharification complète avec une consomma- tion minima d'acide sulfurique.
EXEMPLE 1 :
100 kg. de poussière, de copeaux, de paille de bois, etc., secs, sont soumis à une première saccharification avec 400 à 600 litres diacide sulfurique dilué (0,5 à 5%) à une tem- pérature de 135 à 150 C. pendant une demi-heure. La solution filtrée, aprèsélimination du furfurol, des phénols et des autres huiles éthériques qu'elle contenait, au moyen d'une distillation dans un contre-courant de vapeur, est envoyée à la fermentation. Le résidu est mélangé, dans des malaxeurs @
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mécaniques appropriés, avec 60 à 100 kg. d'acide sulfurique ayant une densité de 1,84, en ayant soin d'empêcher l'é- chauffement de la masse soit en opérant lentement, soit en procédant à un refroidissement convenable.
En diluant avec de l'eau, on obtient un bon rendement en sucre f'ermentab1.e, à partir de la quantité entière de cellulose contenue dans la matière initiale.
EXEMPLE 2:
100 kg. de matière cellulosique sèche (2 à 10% d'humidité) sont traités avec 130 kg. d'acide sulfurique ayant une concentration supérieure à 70%, le chauffage de la'masse étant empêché en conduisant l'opération lentement ou bien, le cas échéant, en procédant à un refroidissement convenable. En diluant à 10-20%., on obtient une solution de sucre exempte de furfurol, convenant pour la fermentation.
Les solutions acides destinées au lavage de la lignine peuvent être utilisées, si elles sont convenablement lavées, dans le premier étage de traitement thermique, avec l'acide dilué.
L'opération ci-dessus s'avère comme plus convenable chaque fois qu'il est possible de récupérer aisément au moins une portion de l'acide utilisé.
Une telle récupération est possible, suivant l'in- vention, du fait que l'acide sulfurique est contenu dans le résidu de la saccharification sous la forme de gypse mélangé à de la lignine, et que ce mélange, s'il est soumis à une calcination à température élevée, se décompose en produisant d'une part de l'anhydride sulfureux pouvant être utilisé pour reformer l'acide sulfurique, et d'autre part de la chaux, l'une et l'autre de ces substances étant utiles dans les étages ultérieurs du procédé, tandis que la lignine constitue elle- même le combustible pour les opérations nécessaires, et peut, -
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le cas échéant, être additionnée d'autres petites quantités de déchets ou de charbon.
Si on le désire,de petites quantités d'argile peu- vent encore être additionnées à la masse contenant le, lignine et le gypse-3 afin de réduire la température de la réaction et de remplacer la chaux par des scories de ciment.
EXEMPLE:
Lorsque la saccharification est terminée, on ajoute de la chaux sous forme de lait de chaux, d'une force de 20%, le tout étant soumis à l'hydrolyse par chauffage à 100"C., avec ou sans la totalité de la lignine et du gypse formés.
Lorsque l'hydrolyse est complète, la masse est neutralisée et filtrée. Le résidu.; consistant en gypse -et en lignine, .auquel on ajoute 3% d'argile, est chauffé dans un four à 1300 C. pour récupérer l'anhydride sulfureux et la chaux que l'on retourne, l'un et l'autre, au cycle de traitement.
L'opération peut être effectuée dans un four à cloche vertical, ou bien dans un four tournant.