FR3146905A1 - Procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un traitement de biomasse lignocellulosique :- a) une étape de prétraitement (2), pour obtenir une biomasse prétraitée (3)- b) une première étape de séparation solide/liquide (3a) de la biomasse prétraitée (3) obtenue à l’étape a) en une première fraction solide (7) de biomasse prétraitée et une première fraction liquide (6) comprenant un mélange de composés comprenant des sucres C5 et des sucres C6, pour partie sous forme monomérique et pour partie sous forme oligomérique- c) une première étape d’hydrolyse enzymatique (14) de la première fraction solide (7) de biomasse prétraitée obtenue à l’étape b), pour obtenir un hydrolysat (15) sous forme de sucre(s)- d) une étape de traitement (24) de ladite première fraction liquide (6) obtenue à l’étape b) par hydrolyse, afin d’obtenir une fraction traitée (26) enrichie en sucres C5 sous forme monomérique et/ou en sucres C6 sous forme monomérique. Figure pour l’abrégé : Fig.2

Description

Procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique
La présente invention concerne le traitement de jus sucrés, notamment ceux dits de seconde génération (2G), qu’on peut obtenir à partir de biomasse lignocellulosique.
Ces jus sucrés peuvent être utilisés pour produire d’autres produits par voie chimique ou biochimique (par exemple des alcools comme l‘éthanol, le butanol, ou d’autres molécules, par exemple des solvants tels que l’acétone, des produits intermédiaires utilisés dans l’industrie chimique, etc…), notamment en tant que substituts de dérivés pétrochimiques.
La biomasse lignocellulosique représente une des ressources renouvelables les plus abondantes sur terre. Les substrats considérés sont très variés, ils concernent à la fois des substrats ligneux comme différents bois (feuillus et résineux), des coproduits issus de l’agriculture (pailles de blé, rafles de maïs, etc…) ou d’autres industries, comme l’industrie agroalimentaire, papetière, etc…
Différents types de procédés existent pour convertir la biomasse lignocellulosique en jus sucrés selon le type de biomasse. S’il s’agit de plantes saccharifères (la betterave sucrière, la canne à sucre), de plantes amylacées (le maïs et le blé), on obtient des jus sucrés dits de première génération (1G), par exemple par des opérations d’extraction.
S’il s’agit de biomasse de type résidus agricoles, forestiers, papetiers, on obtient des jus sucrés dits de seconde génération (2G) par un procédé de transformation biochimique qui comprend généralement une étape de prétraitement et une étape d’hydrolyse enzymatique par un cocktail enzymatique. Le prétraitement comporte le plus souvent une étape d’imprégnation par une liqueur acide ou basique ou oxydante, puis une cuisson de la biomasse imprégnée qui est éventuellement accompagnée d’une explosion à la vapeur.
Les jus sucrés issus de l’hydrolyse peuvent ensuite être ensuite traités, par exemple par fermentation pour les convertir en alcool, et le procédé comprend également des étapes de séparation et/ou de purification.
Ces jus sucrés peuvent également provenir d’un mélange de jus sucrés provenant de différents types de biomasse.
La biomasse lignocellulosique est composée de trois principaux polymères : la cellulose (35 à 50% poids), qui est un polysaccharide essentiellement constitué d'hexoses ; l'hémicellulose (20 à 30% poids), qui est un polysaccharide le plus souvent essentiellement constitué de pentoses ; et la lignine (15 à 25% poids), qui est un polymère de structure complexe et de haut poids moléculaire, composé d'alcools aromatiques reliés par des liaisons éther. Ces différentes molécules sont responsables des propriétés intrinsèques de la paroi végétale et s'organisent en un enchevêtrement complexe.
Parmi les trois polymères de base qui intègrent la biomasse lignocellulosique, la cellulose et l'hémicellulose sont ceux qui permettent la production de jus sucrés 2G.
Le plus souvent, l’hémicellulose est majoritairement décomposée en sucres durant le prétraitement, et la cellulose est convertie en glucose par l’hydrolyse enzymatique. Toutefois, l’accès à la cellulose brute reste difficilement accessible aux enzymes, d’où la nécessité du prétraitement mentionné plus haut. Ce prétraitement permet de modifier les propriétés physico-chimiques de la biomasse lignocellulosique afin d’améliorer l'accessibilité de la cellulose aux enzymes et sa réactivité à l’hydrolyse enzymatique.
De nombreuses technologies intéressant l’invention pour réaliser ce prétraitement existent, qui seront ci-après regroupées sous le terme générique de « cuisson » : cuissons acides, cuissons alcalines, cuisson par auto-hydrolyse, explosion à la vapeur, procédés dits « organosolv pulping » selon le terme anglais connu (ou traitement avec organo-solvant en français). Ce dernier procédé concerne un prétraitement en présence d’un ou plusieurs solvants organiques et généralement d’eau. Le solvant peut être un alcool (éthanol), un acide type acide acétique, acide formique, ou encore l’acétone.
Différentes configurations sont reportées par exemple dans le document «Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review », M. Balat, Energy Conversion and Management 52 (2011) 858–875, ou encore dans le document « Bioethanol production from agricultural wastes : an overview », N. Sarkar, S. Kumar Ghosh, S. Bannerjee, K. Aikat, Renewable Energy 37 (2012) 19-27.
Un des prétraitements le plus efficace est l’explosion à la vapeur, notamment en condition acide, qui permet une hydrolyse presque totale de l’hémicellulose et une amélioration importante de l’accessibilité et de la réactivité de la cellulose aux enzymes. Ce prétraitement peut être précédé d’autre(s) traitement(s).
Ainsi, le prétraitement peut généralement comporter trois étapes qui sont la préparation de liqueur, l’imprégnation de la biomasse par cette liqueur et le prétraitement de la biomasse imprégnée, par exemple par cuisson éventuellement couplée à une explosion à la vapeur : Le brevet FR 3 075 203 décrit un procédé avec imprégnation de la biomasse avec une liqueur acide, puis cuisson et explosion à la vapeur de la biomasse imprégnée, avec un ajustement de l’acidité de la liqueur acide et un recyclage de celle-ci. Le brevet FR 3 075 201 décrit également un procédé de prétraitement de la biomasse par imprégnation acide puis explosion à la vapeur, avec en outre un lavage des moyens d’alimentation des réacteurs et recyclage des eaux de lavage dans le procédé.
Le brevet FR 3 075 201 décrit également un procédé de prétraitement de la biomasse par imprégnation acide puis explosion à la vapeur, avec en outre un lavage des moyens d’alimentation des réacteurs et recyclage des eaux de lavage dans le procédé.
On peut ensuite opérer, sur la biomasse prétraitée, une séparation solide/liquide, de façon à récupérer une fraction liquide qui est un jus sucré en phase aqueuse, et une fraction solide, qui est un marc prétraité appelé aussi gâteau.
Le brevet FR 3 083 126 décrit ainsi une opération de séparation liquide/solide sur la biomasse prétraitée obtenue à l’issue de l’étape de prétraitement ou à l’issue d’une étape additionnelle de ladite biomasse prétraitée, cette étape de séparation comprenant deux sous-étapes successives :
- une sous-étape amont de contactage b1 du mélange solide/liquide mise en œuvre par un mélangeur en continu utilisant un fluide de mélange,
- et une sous-étape aval b2 d’extraction/lavage mise en œuvre par un filtre en continu, notamment de type filtre à bandes, utilisant un fluide de lavage, pour obtenir une phase solide enrichie en solide et une pluralité de phases liquides enrichies en liquide, avec un fonctionnement du filtre de préférence en contre-courant entre la circulation du mélange solide/liquide à séparer et le fluide d’extraction/lavage, et un recyclage au moins partiel d’une phase liquide extraite du filtre à bandes en entrée du mélangeur en tant que fluide de mélange.
Les jus sucrés ainsi obtenus à partir de biomasse lignocellulosique, notamment après son prétraitement ou après l’hydrolyse enzymatique dans le cas des sucres dits 2G, se présentent sous forme d’un mélange de sucres en phase aqueuse, où l’on trouve des sucres dits C5 (c’est-à-dire à 5 carbones), comme le xylose et l’arabinose, et des sucres dits C6 (c’est-à-dire à 6 carbones), comme le glucose, le mannose et le galactose.
Notamment dans le cas de jus sucrés de type 2G issus du prétraitement de la biomasse lignocellulosique, on observe pour la majorité des biomasses lignocellulosiques, dans le jus sucré, une proportion de sucres en C5 supérieure à celle des sucres en C6. Par jus sucré, on entend que des sucres sont libérés par le prétraitement, et qu’ils peuvent être solubilisés en mélangeant la biomasse prétraitée avec de l’eau par exemple.

Les sucres du jus sucré, comme vu plus haut, sont majoritairement, voire exclusivement, des sucres en C5 et en C6. De fait, ils peuvent se retrouver sous trois formes différentes :
- sous une forme polymérique, avec un degré de polymérisation élevé, supérieur à 6, c’est-à-dire qu’ils n’ont pas été convertis, ils sont insolubles dans l’eau, c’est le cas de la cellulose,
- sous une forme monomérique, ils sont solubles dans l’eau
- sous une forme oligomérique, c’est-à-dire que les sucres sont sous une forme polymérique, mais avec un degré de polymérisation bas, entre 2 et 6, ils sont également solubles dans l’eau.
Cela signifie que, après prétraitement de la biomasse, et après avoir opéré une séparation solide/liquide de la biomasse ainsi traitée, la fraction liquide obtenue est un jus sucré avec des sucres sous forme monomérique et oligomérique. Les sucres sous forme polymérique , insolubles, se retrouvent, eux, dans la fraction solide.
La proportion de sucres en C5 par rapport aux sucres en C6, et la proportion, pour chacun de ces types de sucres de la forme oligomérique par rapport à la forme monomérique sont variables, notamment selon la nature de la biomasse (paille, bois …), selon le type et la sévérité du prétraitement, selon les conditions de lavage quand il y a lavage etc… Mais dans la plupart des cas de figures, il y a bien dans les jus sucrés une teneur non négligeable de sucres sous forme oligomérique.
Or la présence de ces sucres sous forme oligomérique peut s’avérer préjudiciable, quelle que soit l’application visée pour ces jus sucrés. En effet, quand on vise la conversion de ces jus sucrés en d’autres composés, que ce soit par conversion chimique ou biochimique (fermentation par exemple), les sucres sous forme monomérique sont plus réactifs que les sucres sous forme oligomérique. Et s’il existe des débouchés pour des jus sucrés tels quels, sans conversion ultérieure, ceux-ci doivent généralement respecter des spécifications de données, incluant une teneur en sucre monomérique élevée.
Il existe donc un besoin pour améliorer la qualité de ces jus sucrés, et notamment pour en augmenter la teneur en sucre(s)s sous forme monomérique ou en diminuer la teneur en sucre(s) sous forme oligomérique.
L’invention a donc pour but d’obtenir des jus sucrés à haute teneur en sucres sous forme monomérique. Elle a également pour but d’intégrer cette obtention de sucres à haute teneur en sucres sous forme monomérique dans une ligne de production de sucre ou d’alcool à partir de biomasse lignocellulosique, afin d’en améliorer le fonctionnement ou les performances, notamment de façon à obtenir une qualité supérieure de jus sucré dans le cas d’une production de sucre, et/ou de façon à obtenir un taux de conversion en alcool supérieur dans le cas d’une production d’alcool et/ou de façon à obtenir un procédé plus économe en utilités ou en énergie..
L’invention a tout d’abord pour objet un procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique, ledit procédé comprenant
- a) une étape de prétraitement de la biomasse, comprenant une cuisson de la biomasse, éventuellement accompagnée d’une explosion à la vapeur, pour obtenir une biomasse prétraitée
- b) une première étape de séparation solide/liquide de tout ou partie de la biomasse prétraitée obtenue à l’étape a) en une première fraction solide de biomasse prétraitée et une première fraction liquide comprenant un mélange de composés, notamment en phase aqueuse, comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones, lesdits sucres C5 et/ou lesdits sucres C6 étant pour partie sous forme monomérique et pour partie sous forme oligomérique
- c) une première étape d’hydrolyse enzymatique de la première fraction solide de biomasse prétraitée obtenue à l’étape b), pour obtenir un hydrolysat sous forme de sucre(s), dont des sucres C6 avec 6 carbones,
- d) une étape de traitement de ladite première fraction liquide obtenue à l’étape b) par hydrolyse en condition acide et/ou par une deuxième hydrolyse enzymatique, afin d’obtenir une première fraction liquide traitée qui est enrichie en sucres C5 sous forme monomérique et/ou en sucres C6 sous forme monomérique et appauvrie en sucres C5 sous forme oligomérique et/ou en sucres C6 sous forme oligomérique.
On désignera par soucis de concision, dans le présent texte, les sucres avec 5 carbones par sucres C5, et les sucres avec 6 carbones par sucres C6, et la première fraction liquide à traiter selon l’invention dans l’étape d) pourra aussi être désignée, par soucis de concision , parle terme « jus » ou « jus sucré » ou « jus initial » : Il s’agit d’un mélange de composés dont des sucres en C5 et C6 en phase aqueuse et solubles dans l’eau.
De façon générale dans le présent texte, sauf mention expresse contraire, toutes les fractions liquides sont aqueuses.
Au sens de l’invention, on comprend par « appauvri » le fait que la concentration (ou la teneur) du sucre oligomérique considéré dans le mélange diminue du fait du traitement et par « enrichi », a contrario, le fait que la concentration du sucre monomérique dans le mélange augmente du fait du traitement.
Au sens de l’invention, on comprend par « sucres » de façon générique des sucres qui peuvent être à la fois sous leur forme monomérique et sous forme oligomérique, sauf s’il en est spécifié autrement.
De préférence, la première fraction liquide contient des sucres issus en majorité, notamment en totalité, de la dépolymérisation des hémicelluloses présents dans la biomasse lignocellulosique. Cette première fraction est un jus sucré obtenu sans ajout d’enzymes, et obtenu à l’issue du prétraitement d’une biomasse lignocellulosique.
L’invention a ainsi mis au point et intégré dans un procédé de conversion de biomasse un traitement d’un jus sucré qui va transformer au moins une partie des sucres sous forme oligomérique en sucres sous forme monomérique, par une hydrolyse acide de préférence à chaud, ou par une hydrolyse enzymatique.
L’invention a donc mis au point un traitement par hydrolyse qui va transformer au moins une partie des sucres sous forme oligomérique en sucres sous forme monomérique. Ce qui est très avantageux, c’est qu’on parvient ainsi à réduire/supprimer les composés indésirables, à savoir les sucres sous forme oligomérique, pour les convertir en sucres sous forme monomérique, qui sont les produits recherchés : il ne s’agit pas simplement de les retirer du jus sucré initial, mais de les convertir à la forme recherchée.
Et cette hydrolyse se décline en hydrolyse chimique, avec des conditions acides de préférence à chaud, ou biochimique, avec des enzymes. Elles peuvent bien sûr être cumulées mais une seule opération d’hydrolyse s’est avérée tout-à-fait suffisante pour obtenir des résultats probants :
Le rendement de conversion des oligomères en monomères obtenu avec le traitement selon l’invention, quel que soit le type d’hydrolyse chimique ou biochimique choisi, peut en effet aller jusqu’à 50% et plus.
L’invention vient donc « intercaler » une étape de traitement du jus sucré obtenu en fin de prétraitement dans un procédé de traitement de biomasse visant à la convertir en sucres puis éventuellement en alcool, et qui prévoit, de façon connue, un prétraitement de la biomasse puis son hydrolyse enzymatique, puis son éventuelle fermentation : cela ouvre la voie à quantité de nouvelles possibilités de valorisation, de qualité de produit et de rendement de conversion de la biomasse, comme détaillé plus loin.
Les conditions de cette hydrolyse, notamment l’acidité du milieu et la température dans le cas de l’hydrolyse acide, ou la teneur et nature des enzymes dans le cas de l’hydrolyse enzymatique, la durée du traitement etc. sont ajustées en fonction, notamment,
- de la nature de la biomasse,
- du type de prétraitement a) qu’elle a eu, données qui conditionnent la teneur en oligomères du mélange,
- ou encore des spécifications de pureté en sucre monomérique s’il est valorisé tel quel.
On peut ainsi moduler la sévérité du traitement en fonction du jus sucré à traiter et de la pureté en sucre monomérique à atteindre, en modulant les différentes conditions opératoires du traitement d’hydrolyse de l’étape d).
Et ce qui est tout particulièrement avantageux, c’est qu’on peut également moduler la sévérité des conditions du prétraitement a) de la biomasse en fonction de celle des conditions de l’hydrolyse de l’étape de traitement d). Ainsi, si on adopte des conditions de traitement selon l’invention suffisamment sévères, alors on peut « se permettre » de diminuer la sévérité du prétraitement de la biomasse, par exemple en l’imprégnant avec une solution moins acide, en la cuisant à une température inférieure, sans impacter négativement, finalement, le rendement de production en sucre/en alcool du procédé de conversion de biomasse global.
En effet, si on choisit des conditions opératoires moins sévères pour le prétraitement, on tend à former moins d’éventuels composés de dégradation, éventuellement au profit de davantage de sucres oligomériques, mais qui vont, eux, être reconvertis en sucres monomériques avec le traitement d’hydrolyse de l’invention.
Et cela peut être très intéressant économiquement (par exemple baisse de consommation d’acide lors de l’imprégnation de la biomasse, baisse de consommation énergétique pour la cuisson de biomasse imprégnée), à l’échelle industrielle, sans impacter négativement les rendements de production en sucre ou alcool.
Selon un premier mode de réalisation, l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse en condition acide opérée de préférence à une température d’au moins 60°C, notamment d’au moins 70°C, notamment d’au moins 75°C, ou d’au moins 80°C, ou d’au moins 90°C, ou d’au moins 100°C, et de préférence d’au plus 140°C, notamment d’au plus 130°C. Il est en effet très efficace d’opérer l’hydrolyse « à chaud », à au moins 60°C, mais il est préférable de ne pas trop monter en température le jus sucré, afin d’éviter toute réaction parasite du type réaction de Maillard qui viendrait dégrader les sucres.
Selon ledit premier mode de réalisation l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse en condition acide opérée de préférence de façon qu’il y ait au moins 0,1% poids d’acide dans ladite première fraction liquide , notamment entre 0,2 et 2,8% poids d’acide dans ledit mélange, et/ou avec un pH d’au plus 4,5, et de préférence compris entre 0,5 et 2,5.
Selon ledit premier mode de réalisation l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse en condition acide opérée de préférence de façon qu’il y ait au moins 0,1% poids d’acide dans le mélange M total (sucres+ eau), notamment entre 0,2 et 2,8% poids d’acide dans ledit mélange. Les teneurs en acide dans le mélange M total (sucres + eau) correspondent à un ajout d’acide dans le jus sucré initial.
Avantageusement, l’acide en question est choisi de préférence parmi au moins un des acides forts suivants : acide sulfurique, acide chlorhydrique et/ou au moins parmi au moins un des acides organiques suivants : acide acétique, acide oxalique, acide formique … L’acide peut être également sous forme d’une solution d’acide dilué dans l’eau.
Avantageusement, l’étape d’hydrolyse en condition acide opérée selon l’invention est opérée à un pH de préférence d’au plus 4,5, notamment d’au plus 4 ou d’au plus 3,5 ou d’au plus 3. Il est de préférence choisi entre 0,5 et 2,5.
Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, l’étape de traitement d) est une deuxième étape d’hydrolyse enzymatique opérée à une température d’au plus 80°C ou d’au plus 70°C, notamment d’au moins 20°C, et est de préférence comprise entre 40 et 60°C.
Selon ledit deuxième mode de réalisation de l’invention l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse enzymatique opérée de préférence à un pH d’au moins 3, notamment au moins 3,5, notamment d’au moins 4, et de préférence d’au plus 6. C’est en effet dans cette gamme de pH que les enzymes tendent à être les plus efficaces.
Pour obtenir ce pH, il peut être nécessaire d’ ajuster le pH du mélange initial M par ajout d’acide ou de base, notamment par ajout de base, de préférence KOH ou NaOH, quand le pH du mélange M initial est inférieur ou égal à 3. C’est notamment le cas quand le jus est issu d’un prétraitement avec imprégnation acide de biomasse, et donc fortement acide (avec un pH qui peut être de l’ordre de 2 ou moins).
Selon ledit deuxième mode de réalisation de l’invention, l’étape de traitement d) d’hydrolyse enzymatique est opéré par ajout au mélange (jus) initial M d’une quantité d’enzymes correspondant à au moins 0,05 g protéine/ kg de mélange, notamment à au moins 0,08 g protéine/kg de jus pour une concentration de 50 g de sucres monomériques /kg de jus, et correspondant de préférence à au plus 2 ou 3 g protéine/kg de mélange à la même concentration de sucres monomériques dans le mélange.
Selon ce deuxième mode de réalisation, l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse enzymatique, et elle peut comprendre une sous-étape d1) de séparation des enzymes de la première fraction liquide traitée, afin d’obtenir d’une part une première fraction liquide traitée et séparée, et d’autre part une fraction d’enzymes. Très avantageusement, cette fraction d’enzymes peut être au moins pour partie recyclée à l’étape d) : il peut être nécessaire de prévoir un apport frais d’enzymes, outre la fraction recyclée, pour opérer l’étape d), notamment si l’activité des enzymes décroit progressivement. A noter que dans le présent texte, on considère que la fraction dite traitée englobe aussi la fraction traitée et séparée, quand on a choisi une hydrolyse enzymatique avec séparation des enzymes en fin d’hydrolyse.
Toute technique connue peut être utilisée pour séparer des enzymes. On peut par exemple avoir recours à un filtre à plaques, ou encore à des membranes de microfiltration ou d’ultrafiltration (où la séparation est réalisée par tamisage, du fait de la différence de taille entre les composants à séparer et celle des pores de la membrane).
Avantageusement, le traitement d’hydrolyse acide ou enzymatique de l’étape d) peut être opéré de façon continue, en fed batch ou par batch, notamment dans un réacteur agité ou de type piston.
Selon une variante de l’invention, seule une première partie de la biomasse prétraitée obtenue à l’étape a) est conduite vers la première étape b) de séparation solide/liquide, et une deuxième partie de la biomasse prétraitée est conduite directement à l’étape c) de première hydrolyse enzymatique. La première hydrolyse enzymatique peut alors être opérée sur les deux types de flux en même temps, l’un venant directement du prétraitement, l’autre ayant passé par une étape de séparation solide/liquide, la proportion relative du flux issu de la biomasse prétraitée qui va à la séparation solide/liquide et du flux issu de la biomasse prétraitée qui va directement à l’hydrolyse enzymatique est modulable, par exemple entre une proportion relative de 90/10 à 10/90 en poids. On peut aussi prévoir que 100% du flux de biomasse passe par l’étape b) de séparation solide/liquide avant hydrolyse enzymatique.
On peut ainsi conjointement opérer la première hydrolyse enzymatique à la fois
- sur le résidu solide issu de la séparation solide/liquide b), car ce résidu contient encore des composés convertibles en sucres par hydrolyse enzymatique,
- et sur de la biomasse prétraitée issue directement du prétraitement,
ce qui permet de maintenir un rendement de conversion par hydrolyse enzymatique élevé par rapport à la quantité de biomasse initiale, malgré le prélèvement d’une portion de biomasse prétraitée pour en récupérer les sucres solubles.
L’étape b) de séparation solide/liquide peut, selon un mode de réalisation préféré, comporter une première étape de contactage entre la biomasse lignocellulosique prétraitée et un fluide de contactage, préférentiellement de l’eau, puis une deuxième étape de filtration, et optionnellement un lavage.
Lorsque l’étape b) de séparation solide/liquide comprend une étape de contactage de la biomasse prétraitée avec un fluide puis une étape de lavage, celle-ci peut s’effectuer en co-courant ou contre-courant, en utilisant notamment une partie de la fraction liquide récupérée comme fluide de lavage et/ou de contactage. De préférence le fluide de contactage est une partie de la fraction liquide récupérée et le fluide de lavage est de l’eau.
L’étape b) de séparation solide/liquide peut, selon un mode de réalisation préféré, être effectuée sur une unité de filtration, notamment un filtre à bande ou un filtre-presse, par centrifugation ou par décantation.
Le procédé selon l’invention peut également comprendre une étape e) de fermentation par des deuxièmes micro-organismes de l’hydrolysat sous forme de sucre(s) obtenu à l’étape c), afin d’obtenir une biomasse fermentée comprenant au moins un alcool, notamment de l’éthanol. Il s’agit alors d’un procédé de production d’alcool type éthanol qui peut servir de biocarburant.
Et dans ce cas, selon un mode de réalisation préféré, les étapes d’hydrolyse enzymatique c) et de fermentation e) peuvent être réalisées simultanément. On parle alors de SSCF pour « Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation » en anglais.
Le procédé selon l’invention peut également comprendre une étape f) de production d’enzymes à partir de premiers micro-organismes, notamment des champignons, afin d’utiliser lesdites enzymes pour assurer la première hydrolyse enzymatique de l’étape c).
Et dans ce cas, on peut envoyer tout ou partie de la première fraction liquide une fois traitée à l’étape d) en tant que substrat de croissance des premiers micro-organismes et/ou de production d’enzymes par lesdits micro-organismes. On est ici dans le cas de figure où le procédé intègre une production in situ d’enzymes pour opérer l’hydrolyse enzymatique de la biomasse prétraitée (l’autre alternative étant d’amener sur le site de production des enzymes produites sur un autre site).
Le procédé selon l’invention peut également comprendre une étape i) de propagation de deuxièmes micro-organismes de fermentation, afin d’utiliser lesdits micro-organismes, notamment des levures, pour assurer la fermentation de l’étape f) quand elle est prévue. On est ici dans le cas de figure où les micro-organismes sont propagés in situ, sur le site de traitement de la biomasse. Et dans ce cas, on peut envoyer tout ou partie de la première fraction liquide une fois traitée à l’étape d) vers ladite étape i) en tant que substrat de propagation desdits troisièmes micro-organismes.
De préférence, les premiers micro-organismes utilisés à l’étape f) et éventuellement les deuxièmes micro-organismes utilisés aux étapes i) et e) sont choisis parmi les levures, les bactéries, les champignons, et de préférence parmi les levures dans le genreSaccharomyces, notamment l’espèceSaccharomyces cerevisaeou, parmi les bactéries, dans le genreCorynebacterium.
De préférence, les premiers micro-organismes sont choisis parmi les champignons, notamment les champignons filamenteux, de préférence ceux du genreTrichoderma, notammentTrichoderma reesei.
Selon un mode préféré de réalisation, le prétraitement selon l’étape a) de la biomasse comprend
- a1) une sous-étape d’imprégnation de la biomasse (1) par une liqueur, notamment acide, pour obtenir une biomasse imprégnée
- a2) une sous-étape de cuisson de la biomasse imprégnée, éventuellement accompagnée d’une explosion à la vapeur, pour obtenir une biomasse prétraitée (3).
Quand le procédé de l’invention comprend l’étape f) de fermentation, il peut comprendre également :
- une étape j) de séparation, notamment par distillation (21), de la biomasse fermentée sous forme d’alcool obtenue à l’étape f), avec une éventuelle étape k) de séparation solide/liquide de la biomasse fermentée avant ou après ladite étape j) de séparation.
L’invention a également pour objet une installation de traitement de biomasse lignocellulosique mettant en œuvre le procédé décrit plus haut.
L’invention a également pour objet une installation de traitement d’une biomasse lignocellulosique, ladite installation comprenant
- a) une unité de prétraitement de la biomasse, comprenant un dispositif de cuisson de la biomasse, éventuellement accompagnée d’une explosion à la vapeur, pour obtenir une biomasse prétraitée
- b) une première unité de séparation solide/liquide, comprenant notamment un dispositif de filtration, de tout ou partie (3a) de la biomasse prétraitée (3) obtenue dans l’unité a) en une première fraction solide (7) de biomasse prétraitée et une première fraction liquide (6) comprenant un mélange de composés, notamment en phase aqueuse, comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones, lesdits sucres C5 et/ou lesdits sucres C6 étant pour partie sous forme monomérique et pour partie sous forme oligomérique
- c) une unité d’hydrolyse enzymatique de la première fraction solide de biomasse prétraitée obtenue à l’étape b), pour obtenir un hydrolysat sous forme de sucre(s), dont des sucres C6 avec 6 carbones,
- une unité de traitement de ladite première fraction liquide (6) obtenue à l’étape b) par hydrolyse en condition acide et/ou par hydrolyse enzymatique, afin d’obtenir une première fraction liquide traitée qui est enrichie en sucres C5 sous forme monomérique et/ou en sucres C6 sous forme monomérique et appauvrie en sucres C5 forme oligomérique et/ou en sucres C6 sous forme oligomérique.
Au sens de l’invention, les premiers et deuxièmes micro-organismes mentionnés plus haut peuvent être un seul type de microorganisme ou une association de différents micro-organismes. De même, au sens de l’invention, les enzymes peuvent être de même type ou, préférentiellement, être un mélange d’enzymes de type/fonction différente qu’on peut aussi appeler « cocktail » enzymatique.
La biomasse intéressant l’invention et dont est issue la première fraction liquide comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones, est de type lignocellulosique, provenant notamment de résidus forestiers et/ou agricoles et/ou papetiers, et/ou de plantes saccharifères et/ou de plantes amylacées et/ou de Fractions Fermentescibles d’Ordures Ménagères (FFOM).
Le prétraitement de biomasse dont est issue la première fraction liquide peut être une hydrolyse (sans enzyme) ou prétraitement de la biomasse comprenant notamment une imprégnation de la biomasse par une liqueur acide ou basique ou oxydante suivie d’une cuisson de la biomasse imprégnée, notamment une cuisson avec explosion à la vapeur.
La première fraction liquide comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones est obtenue de préférence, selon l’invention, après une étape de séparation solide/liquide b) mettant de préférence en œuvre une biomasse prétraitée par explosion à la vapeur éventuellement repulpée avec un solvant (de l’eau notamment) et éventuellement lavée avec un solvant (de l’eau notamment).
L’invention a également pour objet la première fraction liquide traitée obtenue à l’étape d): elle a ainsi pour objet un liquide comprenant un mélange de composés en solution aqueuse, qui comprend des sucres en C5 et des produits de conversion des sucres en C6 et éventuellement des autres composés minoritaires présents dans le jus à traiter par hydrolyse acide ou enzymatique, avec en outre
- une teneur S1 en sucres C5 et/ou sucres C6 comprise entre 10 et 100 g/kg de solution
- dont une proportion P1 en sucres C5 et/ou en sucres C6 sous forme oligomérique d’au plus 50% poids, notamment d’au plus 30% poids, notamment d’au plus 20 ou 10% poids par rapport aux sucres monomériques.
L’invention sera décrite ci-après de façon plus détaillée, à l’aide d’exemples non limitatifs et des figures suivantes :
Liste des figures

La représente sous forme d’un schéma-bloc un procédé de traitement de biomasse lignocellulosique en vue de la convertir en alcool (éthanol), sans mettre en œuvre le traitement par hydrolyse des jus sucrés selon l’invention.

La représente sous forme d’un schéma-bloc un procédé de traitement de biomasse lignocellulosique en vue de la convertir en alcool (éthanol), qui modifie le procédé de la pour mettre en œuvre le traitement par hydrolyse des jus sucrés selon l’invention.

La représente sous forme d’un schéma-bloc un procédé de traitement de biomasse lignocellulosique en vue de la convertir en sucre(s), sans mettre en œuvre le traitement par hydrolyse des jus sucrés selon l’invention.

La représente sous forme d’un schéma-bloc un procédé de traitement de biomasse lignocellulosique en vue de la convertir en sucre(s), qui modifie le procédé de la pour mettre en œuvre le traitement par hydrolyse des jus sucrés selon l’invention.

La représente sous forme d’un schéma-bloc un procédé de traitement de biomasse lignocellulosique en vue de la convertir pour partie en sucre(s), pour partie en alcool (éthanol), sans mettre en œuvre le traitement par hydrolyse des jus sucrés selon l’invention.

La représente sous forme d’un schéma-bloc un procédé de traitement de biomasse lignocellulosique en vue de la convertir pour partie en sucre(s), pour partie en alcool (éthanol), qui modifie le procédé de la pour mettre en œuvre le traitement par hydrolyse des jus sucrés selon l’invention.
Dans tout le présent texte, et notamment dans la description des figures, le terme de réacteur n’impose pas qu’il y en ait qu’un seul, et peut être compris comme une unité comprenant au moins un réacteur ou plusieurs réacteurs (montés en série ou en parallèle). Il en est de même pour tous les autres dispositifs, notamment les outils de type filtration, séparation solide/liquide etc… (par soucis de concision).
A noter que dans tout le présent texte, « solide » est à comprendre en opposition à « liquide », mais que toute fraction solide peut encore contenir une certaine proportion de liquide (et réciproquement). On peut évaluer cette proportion de solide et composés solubles dans un échantillon par mesure de son taux de Matière Sèche (acronyme "MS"), qui est mesuré selon la norme ASTM E1756 - 08(2015) « Standard Test Method for Determination of Total Solids in Biomass”.
Les figures 1 à 6 représentant des schémas bloc de procédés et sont très simplifiées pour en faciliter la compréhension. Elles ne représentent pas nécessairement toutes les étapes/équipements nécessaires aux procédés décrits, se concentrant sur les étapes/équipements/flux les plus significatifs au vu de l’invention.
Les références gardent la même signification d’une figure à l’autre.
Description des modes de réalisation
L’invention intègre dans un procédé de conversion de biomasse, de type lignocellulosique, en sucre(s) ou en alcool, un traitement d’hydrolyse acide ou enzymatique de jus sucrés contenant des sucres en C5, et, dans une moindre teneur/proportion, des sucres en C6, de façon à diminuer voire supprimer la teneur en sucres sous forme oligomérique au profit de leur forme monomérique, pour en tirer bénéfice, notamment soit pour augmenter le rendement de conversion de la biomasse (en alcool plus particulièrement), soit pour obtenir des sucres de plus haute qualité/pureté, soit pour diminuer les couts de production.
En effet, dans le processus de traitement de biomasse, l’invention s’intéresse aux procédés avec prétraitement de la biomasse avant hydrolyse enzymatique, prétraitement qui entraîne la production de jus sucrés mélangeant des sucres en C5 et des sucres en C6.
On va donc décrire :
- dans un premier temps, l’étape de traitement acide ou enzymatique des jus sucrés de l’étape d) de conversion de biomasse lignocellulosique,
- puis, dans un second temps, et à l’aide des figures 1 à 6, le procédé de conversion de biomasse lignocellulosique produisant ces jus sucrés et intégrant cette étape de traitement d) pour en tirer bénéfice.
Etape de traitement par hydrolyse de jus sucrés en C5 et C6
Ce traitement chimique ou biochimique de traitement est une mise en contact du jus sucré en sucres C5 et C6, jus obtenu par traitement de matière à base de biomasse lignocellulosique et comprenant majoritairement du sucre en C5, avec un milieu acide à chaud ou avec des enzymes, afin que la proportion de sucre oligomérique diminue au profit de la forme monomérique des sucres.
La composition du jus sucré 6 à traiter peut varier selon la biomasse, le type de prétraitement, les conditions de prétraitement, les conditions de lavage de la biomasse prétraitée.
Par exemple, le jus sucré à traiter selon l’invention peut avoir la composition suivante :
- entre 0,5 et 30 g de glucose par kg de jus, notamment entre 5 et 15 g/kg de glucose
- entre 10 et 100 g de xylose par kg de jus, notamment entre 20 et 60 g/kg de xylose
- entre 0,5 et 36 g/kg de glucose potentiel, notamment entre 5,5 et 20 g/kg de glucose potentiel, soit entre 0,1 et 35 g/kg de glucose oligomère, notamment entre 0,5 et 30 g/kg de glucose oligomère, notamment entre 0,5 et 10 g/kg de glucose oligomère
- entre 10 et 130 g/kg de xylose potentiel, notamment entre 22 et 75 g/kg de xylose potentiel, soit entre 0,1 et 30 g/kg de xylose oligomère, notamment entre 2 et 20 g/kg de xylose oligomère
avec les conventions suivantes :
- La concentration en glucose s’entend au sens glucose monomère.
- La concentration en xylose s’entend au sens xylose monomère.
- Ces concentrations peuvent être analysées par exemple par des méthodes de chromatographie liquide haute performance (HPLC)
- La concentration en sucre potentiel est la mesure de la concentration en sucres monomères après hydrolyse acide sur le jus sucré initial à 120°C pendant 1 heure en présence d’un large excès d’acide dilué : à 0,3 gramme de MS du jus initial sont ajoutés 4,92 grammes d’acide sulfurique à 72% et de l’eau dont la quantité est calculée pour obtenir un mélange de 90 g.
- La concentration en sucres oligomères correspond à la différence entre la concentration en sucres potentiels et la concentration en sucres monomères.
L’invention consiste, dans son premier mode de réalisation, à traiter à chaud et en conditions acides ce type de jus sucré, afin d’hydrolyser les sucres sous forme oligomérique en sucres sous forme monomérique, tout en conservant les sucres monomériques déjà présents dans le jus sucré initial.
Exemples de traitement de jus sucré par hydrolyse acide
Exemple 1 (comparatif)
On part d’un jus sucré initial M issu de biomasse prétraitée par imprégnation acide de la biomasse puis explosion à la vapeur, biomasse prétraitée qui est ensuite lavée et séparée en fraction liquide (le jus sucré) et en fraction solide conformément à l’enseignement du brevet FR 3 083 126 précité, auquel on se rapportera pour plus de détails. C’est le jus provenant du flux 6 décrit plus loin.
Succinctement, ce prétraitement est une opération d’imprégnation de biomasse lignocellulosique (paille de blé) par une liqueur acide, suivie par une opération d’explosion vapeur de la biomasse imprégnée. La biomasse prétraitée subit une opération de séparation liquide/solide à l’issue de l’étape de prétraitement, cette étape de séparation liquide/solide comprenant une étape de contactage entre la biomasse lignocellulosique prétraitée et de l’eau, et une étape de filtration et optionnellement de lavage. Pour obtenir le jus sucré initial M à traiter selon l’invention, 550 kg de biomasse prétraitée sont mélangés avec 1010 kg d’eau, puis filtrés puis pressés. Après filtration et pressage, 885 kg d’un jus M, appelé aussi hydrolysat C5, est obtenu. Le prétraitement se déroulant dans des conditions acides, ce jus a un pH de 1,5.
La concentration en composés d’intérêt de ce jus sucré initial M est donnée dans le tableau 1 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que la composition contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, 5-HMF et furfural, dans de (très) faibles teneurs. Le jus M contient 49,5 g/kg de sucres glucose et xylose. La teneur en matière sèche du jus sucré initial M est de 8% poids. Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées.
Concentration Jus M Type de sucre/composé
Xylose g/kg 39,7 Sucre C5
Xylose potentiel g/kg 45,6
Xylose – oligomère g/kg 5,8 Forme oligomérique du xylose
Xylose – oligomère % poids xylose potentiel 13
Glucose g/kg 9,7 Sucre C6
Glucose potentiel g/kg 11,6
Glucose -oligomère g/kg 1,8 Forme oligomérique du glucose
Glucose -oligomère % poids glucose potentiel 16
Sucres -oligomère % poids sucres potentiels 13 Formes oligomériques du xylose et du glucose
Ce jus est le jus témoin, qui sera traité selon l’invention dans les exemples suivants.
Exemple 2 (selon l’invention)
On part du jus sucré M défini à l’exemple 1. On le traite selon l’invention avec les conditions opératoires suivantes : Le jus est traité dans un réacteur agité en batch, pendant 1 heure à 120°C. Le pH du jus est déjà acide (pH d’environ 1,5), on n’ajoute pas d’acide au jus.
Exemple 3 (selon l’invention)
On part du jus sucré M défini à l’exemple 1. On le traite selon l’invention avec les conditions opératoires suivantes : Le jus est traité dans un réacteur agité en batch, pendant 1 heure à 120°C. On ajoute de l’acide sulfurique à 72% dans de l’eau au jus sucré initial M pour qu’au final la concentration en acide sulfurique pur ajouté dans le mélange total soit de 1% poids.
Exemple 4 (selon l’invention)
On part du jus sucré M défini à l’exemple 1. On le traite selon l’invention avec les conditions opératoires suivantes : Le jus est traité dans un réacteur agité en batch, pendant 1 heure à 120°C. On ajoute de l’acide sulfurique à 72% dans de l’eau au jus sucré initial M pour qu’au final la concentration en acide sulfurique pur ajouté dans le mélange total soit de 2% poids.
Exemple 5 (comparatif)
On part du jus sucré M défini à l’exemple 1. On le traite selon l’invention avec les conditions opératoires suivantes : Le jus est traité dans un réacteur agité en batch, pendant 1 heure à 120°C. On ajoute de l’acide sulfurique à 72% dans de l’eau au jus sucré initial M pour qu’au final la concentration en acide sulfurique pur ajouté dans le mélange total soit de 3% poids.
Exemple 6 (comparatif)
On part du jus sucré M défini à l’exemple 1. On le traite selon l’invention avec les conditions opératoires suivantes : Le jus est traité dans un réacteur agité en batch, pendant 1 heure à 120°C. On ajoute de l’acide sulfurique à 72% dans de l’eau au jus sucré initial M pour qu’au final la concentration en acide sulfurique pur ajouté dans le mélange total soit de 4% poids.
Le tableau 2 ci-dessous regroupe les concentrations en sucres dans les jus sucrés des exemples une fois hydrolysés selon l’invention.
C est la concentration des sucres glucose et xylose analysée par HPLC en g/kg, et R est l’évolution du rendement en sucres monomériques.
C Sucre Potentiel théorique Ex.2
0% H2SO4 		Ex.3
1% H2SO4 		Ex.4
2% H2SO4 		Ex.5
3% H2SO4 		Ex.6
4% H2SO4
Glucose
+ xylose
t0		 g/kg 49,5 49,5 48,8 48,1 47,4 46,7
Glucose + Xylose
t0 + 1 h		 g/kg 57,1 51,3 52,1 50,2 49,4 47,2
R % 15,5 3,7 5,2 1,5 - 0,2 - 4,6
La première ligne t0 correspond aux concentrations du jus M avant démarrage du traitement selon l’invention, à noter que la concentration en sucres diminue quand on ajoute de l’acide, du fait de la dilution provoquée par cet ajout d’acide en solution aqueuse : plus on ajoute d’acide, plus la concentration diminue.
La concentration en sucre potentiel théorique à t0 + 1 heure correspond au glucose et au xylose potentiel total du jus M : c’est la concentration en sucres après hydrolyse acide en présence d’un excès d’acide en conditions diluées. Ainsi l’évolution maximale du rendement en sucres monomériques est de 15,5%.
On voit des données du tableau 2 que, sans ajouter d’acide (exemple 2), puisqu’ici le jus est déjà à pH acide, on convertit par le traitement à chaud une certaine quantité d’oligomères en monomères. En ajoutant 1% (exemple 3) et 2% d’acide (exemple 4), c’est également le cas, avec un rendement qui augmente.
En revanche, en ajoutant 3% (exemple 5) ou 4% d’acide (exemple 6), on n’a plus d’évolution favorable du rendement : la conversion des oligomères en monomères est contrecarrée par la dégradation des monomères.
En conclusion, on voit que l’hydrolyse acide selon l’invention des jus est favorable pour obtenir des jus avec de plus fortes teneurs en sucres monomériques et une teneur abaissée en sucres oligomériques. Cependant, le traitement est à ajuster, notamment en termes d’acidité, car une acidité trop forte (et/ou une température de traitement trop élevée) peut conduire à dégrader les sucres monomériques, ce qui peut tendre à faire perdre tout ou partie du bénéfice de l’invention.
Exemples de traitement de jus sucré par hydrolyse enzymatique
L’invention consiste, dans son deuxième mode de réalisation, à traiter par hydrolyse enzymatique ce type de jus sucré, afin d’hydrolyser les sucres sous forme oligomérique en sucres sous forme monomérique, tout en conservant les sucres monomériques déjà présents dans le jus sucré initial.
Exemple 7 (comparatif)
On part d’un jus sucré initial M issu de biomasse prétraitée par imprégnation acide de la biomasse puis explosion à la vapeur, biomasse prétraitée qui est ensuite lavée et séparée en fraction liquide (le jus sucré) et en fraction solide conformément à l’enseignement du brevet FR 3 083 126 précité, auquel on se rapportera pour plus de détails. C’est le jus provenant du flux 6 décrit plus loin.
Succinctement, ce prétraitement est une opération d’imprégnation de biomasse lignocellulosique (ici de la paille de blé) par une liqueur acide, suivie par une opération d’explosion vapeur de la biomasse imprégnée. La biomasse prétraitée subit une opération de séparation liquide/solide à l’issue de l’étape de prétraitement, cette étape de séparation liquide/solide comprenant une étape de contactage entre la biomasse lignocellulosique prétraitée et de l’eau, et une étape de filtration et optionnellement de lavage. Pour obtenir le jus sucré initial M à traiter selon l’invention, 550 kg de biomasse prétraitée sont mélangés avec 1010 kg d’eau, puis filtrés puis pressés. Après filtration et pressage, 885 kg d’un jus M, appelé aussi hydrolysat C5, est obtenu. Le prétraitement se déroulant dans des conditions acides, ce jus a un pH de 1,7.
La concentration en composés d’intérêt de ce jus sucré initial M est donnée dans le tableau 3 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que la composition contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, 5-HMF et furfural, dans de (très) faibles teneurs. La teneur en matière sèche dans le jus sucré initial est de 6,9% poids. Le jus M contient 38,4 g/kg de sucres glucose et xylose.
Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées.
Concentration Jus initial M Type de sucre/composé
Xylose g/kg 31,7 Sucre C5
Xylose potentiel g/kg 40,3
Xylose – oligomère g/kg 8,5 Forme oligomérique du xylose
Xylose – oligomère % poids xylose potentiel 21
Glucose g/kg 6,7 Sucre C6
Glucose potentiel g/kg 9,3
Glucose -oligomère g/kg 2,7 Forme oligomérique du glucose
Glucose -oligomère % poids glucose potentiel 29
Sucres -oligomère % poids sucres potentiels 23 Formes oligomériques du xylose et du glucose
Ce jus est le jus témoin, qui sera traité selon l’invention dans les exemples suivants.
Exemple 8 (selon l’invention)
On part du jus sucré initial M défini à l’exemple 7. On le traite selon l’invention avec les conditions opératoires suivantes :
Le jus M initial est à pH 1,7. Il alimente un réacteur agité, la réaction est opérée en batch. On y ajoute une solution aqueuse de KOH en quantité suffisante pour augmenter le pH du jus jusqu’à un pH d’environ 4,8.
Le jus est ensuite traité en ajoutant 0,1 g protéines /kg de jus par l’ajout d’un cocktail enzymatique produit parTrichoderma reeseiet ayant une concentration en protéines de 35,8 g/kg (mesure par la méthode Kjeldhal), une activité FPase (de 0,8 IU/mg),une activité beta-glucosidase (de 35,6 IU/mg) et une activité xylanase , puis en agitant le mélange pendant 24 heures à 50°C.
Le tableau 4 ci-dessous regroupe les concentrations en sucres des exemples une fois hydrolysés selon l’invention, à t=0 (teneurs en sucres au démarrage du traitement ) et à t = t0 + 1 heure.
C est la concentration des sucres glucose et xylose analysée par HPLC en g/kg, et R est l’évolution du rendement en sucres monomériques. L’évolution maximal du rendement en sucres est de 23%.
C Ex. 8
Glucose / t0 g/kg 6,6
Xylose / t0 g/kg 31,5
glucose / t0 + 1 h g/kg 7,9
xylose / t0 + 1 h g/kg 34,6
R % 12
Les données du tableau 4 montrent que, dès 1 heure de traitement, on a une conversion importante des sucres oligomères en sucres monomères, puisque que le rendement en sucres monomériques est augmenté de 12%, soit plus de 50% de l’augmentation théorique possible (qui est de 23%).
Après 1 heure de réaction, les concentrations des sucres glucose et xylose ont atteint un plateau, il n’est pas nécessaire de poursuivre le traitement sur des temps longs, car l’amélioration moins forte dans le rendement en sucres monomériques risque d’être moins avantageuse au regard d’un allongement du temps d’immobilisation de réacteur par exemple.
En conclusion, on voit que l’hydrolyse enzymatique selon l’invention des jus est favorable pour obtenir des jus avec de plus fortes teneurs en sucres monomériques et une teneur abaissée en sucres oligomériques. L’invention est flexible en termes de mise en œuvre, elle peut être opérée à température peu élevée, on peut ajuster la nature et la quantité des enzymes ajoutées pendant le traitement, notamment selon le type de jus sucré. Et on obtient une augmentation notable de la teneur en sucres monomères avec des durées de traitement raisonnables. Si nécessaire, notamment si une très haute pureté en sucre monomère est requise, on peut allonger le temps de traitement ou jouer sur les paramètres mentionnés plus haut.
Procédés de conversion de biomasse lignocellulosique produisant des jus sucrés et intégrant l’étape de traitement desdits jus sucrés précédemment décrite
Trois procédés de conversion sont ci-après décrits :
- un procédé A de conversion en alcool (éthanol)
- un procédé B de conversion en sucre(s) , et
- un procédé C dit « hybride » visant à obtenir à la fois un alcool et des sucre(s)
Procédé A de conversion de biomasse en éthanol
Il est illustré à l’aide des figures 1 et 2.
La décrit un procédé de conversion sans l’étape de traitement d) décrite plus haut. Les références des figures représentent les flux/dispositifs/étapes suivants :
1 : Biomasse
2 : Conditionnement et prétraitement
3 : Biomasse prétraitée
3a : Biomasse prétraitée vers l’outil de filtration
3b : Biomasse prétraitée vers hydrolyse enzymatique (flux optionnel)
4 : Séparation solide/liquide (un filtre à bande ou un filtre-presse par exemple) pour extraire un jus sucré, avec une étape optionnelle de lavage
5 : Eau en tant que fluide de contactage et/ou de lavage
6 : Jus sucré contenant majoritairement des sucres C5
6a : Jus sucré comprenant majoritairement des sucres C5 vers la production d’enzymes
6b : Jus sucré comprenant majoritairement des sucres C5 vers la propagation de levures
7 : Biomasse prétraitée et lavée
8 : Réacteur de production d’enzymes
9 : Inoculum de Champignon (Trichoderma Reeseipar exemple) pour la production d’enzymes
10 : Cocktail enzymatique (mélange d’une ou plusieurs enzymes, contenant notamment des cellulases, beta glucosidases, xylanases…)
11 : Réacteur de propagation de levures
12 : Levures
13 : Levures propagées
14 : Réacteur d’hydrolyse enzymatique.
15 : Hydrolysat
16 : Réacteur de fermentation
17 : Moût de fermentation (vin)
18 : Séparation solide/liquide (un filtre-presse par exemple) avec une étape optionnelle de lavage du résidu solide par un solvant (par exemple de l’eau)
19 : Résidu solide (composé majoritairement de lignine)
20 : Produit liquide de la filtration, ici du vin filtré
21 : Séparation de l’éthanol et de l’eau (colonne de distillation, tamis par exemple)
22 : Résidu liquide (vinasses)
23 : Éthanol purifié
Si on prend le déroulé du procédé selon la : La biomasse 1 subit un conditionnement/prétraitement dans l’unité 2 (éventuel broyage mécanique, dépoussiérage, retrait de pièces métalliques éventuelles, puis, ici à titre d’exemple, imprégnation par une liqueur acide et cuisson/explosion à la vapeur de la biomasse prétraitée 3). Une partie de cette biomasse prétraitée, le flux 3a, part vers un outil de filtration solide/liquide 4, ledit outil étant également alimenté en eau 5 comme eau de contactage et/ou de lavage. Dans un premier temps, la biomasse prétraitée est contactée avec de l’eau pour améliorer sa filtrabilité. Le mélange est ensuite filtré sur un filtre à bande, et lavé à l’eau. Une autre partie de la biomasse prétraitée, le flux 3b peut partir vers le réacteur d’hydrolyse enzymatique 14. Ce réacteur 14 est alimenté également par le flux 7 qui est la fraction solide issue de la filtration dans l’unité 4, qui est donc la biomasse prétraitée lavée solide.
En sortie de réacteur 14, on a un flux 15 d’hydrolysat (des sucres), qui alimente ensuite un réacteur de fermentation 16 pour être converti en éthanol : en sortie du réacteur de fermentation 16, on obtient un mout de fermentation, appelé aussi vin, qui contient de l’éthanol dans de l’eau. Un outil de séparation solide/liquide 18 vient séparer un résidu solide ligneux 19 d’une fraction liquide 20, le vin filtré. Ce vin filtré est conduit dans un outil de séparation 21 (colonne à distiller) pour obtenir de l’éthanol 23 et un résidu liquide aqueux (appelé vinasse).
En sortie de l’outil de séparation 4, la fraction liquide 6 est un jus sucré aqueux comprenant majoritairement des sucres en C5. Tout ou partie de cette fraction, le flux 6a, peut aller vers le réacteur 8 de production d’enzymes, qui produit un cocktail enzymatique 10 pour alimenter le réacteur 14 d’hydrolyse enzymatique : ce flux peut ainsi constituer un substrat de croissance et/ou de production vis-à-vis des microorganismes de typeTrichoderma reeseiqui produisent ce mélange d’enzymes 10. Tout ou partie de ce flux 6, le flux 6b, peut aussi aller vers le réacteur 11 de propagation des levures 13 qui alimentent le réacteur de fermentation 16. Là encore, le jus sucré 6b va pouvoir servir de substrat de propagation vis-à-vis des levures, par exempleSaccharomyces, notamment l’espèceSaccharomyces cerevisae.
Il est à noter, par ailleurs, que l’opération d’hydrolyse enzymatique 14 se fait de façon préférée en 2 étapes : liquéfaction avec un fed-batch de substrat puis hydrolyse enzymatique en batch, (éventuellement avec deux réacteurs en série, ou dans le même réacteur), pour travailler à la teneur en MS la plus haute possible et pour convertir des substrats lignocellulosiques dont la rhéologie peut être complexe. Une neutralisation du milieu peut être réalisée avant l’hydrolyse enzymatique, par exemple par ajout d’une solution basique dans le cas où le prétraitement est effectué en condition acide.
Il est également à noter que l’hydrolyse enzymatique et la fermentation peuvent se faire simultanément (SSCF). Quand elles sont faites l’une après l’autre, un ajustement du pH du milieu entre les unités 14 et 16 peut être réalisé.
Il est également à noter que la production d’enzymes et/ou la propagation des levures peuvent se faire sur le site de traitement de la biomasse, comme représenté à la . Mais l’une ou l’autre peuvent aussi se faire ex situ : on peut ainsi amener sur site des enzymes ou des levures prêtes à l’emploi. Ceci explique que, suivant les choix faits à ce sujet, le flux peut être partagé en deux flux 6a, 6b (avec une répartition entre les deux flux qui peut être égale ou pas selon les besoins), ou n’être utilisé que pour la propagation des levures ou que pour la production des enzymes.
La représente le procédé de la , mais avec les modifications selon l’invention, et les références supplémentaires suivantes :
6a’ : Jus sucré comprenant des sucres C5 et C6 à haute teneur en sucre monomérique vers la production d’enzymes
6b’ : Jus sucré comprenant des sucres C5 et C6 à haute teneur en sucre monomérique vers la propagation de levures
6c’ : Jus sucré comprenant des sucres C5 et C6 à haute teneur en sucre monomérique vers la fermentation
24 : Réacteur de traitement d’hydrolyse acide ou enzymatique
25 : Ajout d’acide (hydrolyse acide) ou ajout d’enzymes et de KOH
26 : Jus sucré comprenant des sucres C5 et C6 à haute teneur en sucre monomérique et éventuellement des enzymes en cas d’hydrolyse enzymatique
27 : Séparation éventuelle solide/liquide ou par différence de taille (une centrifugeuse, un filtre ou une unité d’ultrafiltration par exemple) des enzymes contenues dans le jus 26
28 : Dans le cas d’une hydrolyse enzymatique du jus sucré, recyclage au moins partiel des enzymes
29 : Jus sucré identique au jus 26 ou dépourvu d’enzymes si choix d’une hydrolyse enzymatique avec séparation sucres/enzymes dans l’unité 27
A noter que le flux 3 de biomasse prétraitée se partage dans la en deux flux : le flux 3a qui part vers l’outil 4 et le flux 3b qui part directement vers le réacteur d’hydrolyse enzymatique 14. Mais ici comme dans le cas des procédés représentés aux figures suivantes, la proportion relative entre les flux 3a et 3b est variable.
Et selon un mode de réalisation de l’invention, il est également prévu que tout le flux de biomasse prétraité 3 passe d’abord dans l’outil 4 avant séparation et envoi de la portion solide vers le réacteur d’hydrolyse 14 : il n’y a plus qu’un flux 3/3a entrant en totalité dans l’outil 4, et le flux 3b est nul : le réacteur 14 n’est plus alimenté en flux 3b. Ce mode de réalisation est plus particulièrement préconisé dans le cas de la production de sucre A, davantage que dans le cas de la production d’alcool B ou de sucre et d’alcool C.
Ce cas de figure à flux 3b nul fait donc aussi partie de l’invention, qu’il s’agisse d’un procédé de production d’alcool, de sucre ou hybride alcool/sucre.
Le flux 26 ou 29 de jus sucré peut être utilisé comme substrat pour la production d’enzymes, la propagation des levures ou en fermentation.
Ici, le flux 6 contenant plus de sucres en C5 que de sucres en C6 est traité de la façon suivante : il est amené dans un réacteur 24 d’hydrolyse chimique (acide) ou biochimique (enzymes), qui peut inclure une étape préliminaire d’augmentation/d’ajustement du pH du jus 6, par exemple avec une solution basique d’hydroxyde de sodium ou de potassium, dans le cas où le prétraitement de la biomasse s’est fait en condition acide.
Le réacteur 24 est donc alimenté en acide (hydrolyse acide) ou en enzymes éventuellement avec ajout d’une base simultané ou préalable (hydrolyse enzymatique). En sortie du réacteur 24, on a un flux 26 de jus sucré appauvri en sucres oligomériques.
L’outil de séparation optionnel 27 permet de récupérer une fraction solide 28 d’enzymes (dans le cas où les enzymes seraient par exemple supportées sur un support solide) ou une fraction des enzymes solubles dans le jus qui serait par exemple séparée par différence de taille entre les protéines et les sucres. Ces enzymes vont pouvoir, en tout ou partie, être recyclées dans le réacteur 24.
La fraction liquide séparée 29 est donc un jus sucré soit identique au jus 26 en cas d’hydrolyse acide, soit dépourvue partiellement ou totalement d’enzymes en cas d’hydrolyse enzymatique. A noter cependant que, même en cas d’hydrolyse enzymatique, la séparation des enzymes reste optionnelle, notamment quand ce jus n’est pas valorisé tel quel.
Procédé B de conversion de biomasse en sucres
Il est illustré par les figures 3 et 4.
La représente le procédé sans le traitement de jus sucré selon l’invention. Il s’agit ici d’arrêter la conversion de la biomasse au stade de la production de sucres, sans fermentation donc. Par rapport à la , le jus sucré 20 majoritairement constitué de sucres en C6, est donc le premier produit final qui est valorisé, le flux 6a peut être utilisé pour servir de substrat pour la croissance et/ou la production d’enzymes dans le réacteur 8 (si production d’enzymes in situ), et le flux 6b est le deuxième produit final qui est peut être valorisé, un jus de sucres majoritairement en C5, mais qui contient encore des sucres en C6.
La est un procédé qui intègre au procédé de la le traitement de jus sucré selon l’invention : On y retrouve les réacteurs/outils 24,27 du procédé de la , qui sont opérés de la même manière. Ici, le jus sucré 6 contenant majoritairement des sucres C5 / C6 est traité en un jus 26 (ou 29), qui se partage en partie en un flux 6a’ de sucres en C5 pour servir de substrat à la croissance/production d’enzymes dans le réacteur 8 si la production d’enzymes se fait in situ, et en tout ou partie en un flux 6d’, qui est un jus sucré en C5 /C5 à haute teneur en sucres monomériques qu’on peut valoriser en tant que tel.
Procédé C « hybride » de conversion de biomasse en éthanol et en sucre(s)
Il est illustré par les figures 5 et 6.
Le procédé selon la n’utilise pas le traitement du jus sucré selon l’invention. Il s’agit ici de produire en parallèle des sucres et de l’éthanol. Par rapport au procédé de la qui vise à produire de l’éthanol, ici on a, à la fois :
- une production d’éthanol, qui est le flux 23 obtenu comme dans le procédé de la , et
- une production sucres majoritairement en C5 : c’est le flux 6d, issu du flux 6 comme dans le procédé de la . Ce flux 6d peut être une partie du flux 6, ou la totalité de ce flux (si production d’enzymes ex situ, et/ou propagation des levures ex situ, ou encore si on préfère utiliser d’autres sources, externes, pour la croissance /propagation des microorganismes/production d’enzymes).
Le procédé de la intègre, dans le procédé de la , le traitement de jus sucré selon l’invention : On retrouve les réacteurs/outils 24,27 précédemment décrits, l’obtention d’un flux traité 26 ou 29 en sucres à haute teneur monomérique, et celle d’un flux 6d’ qui constitue tout ou partie du jus 26,29 et qui constitue un jus sucré riche en sucre monomérique qu’on peut valoriser tel quel, en parallèle de la production d’éthanol 23.
De ces différentes mises en œuvre de l’invention, on en voit tous les avantages :
L’hydrolysat de sucres lignocellulosiques composé d’un mélange de sucres à 6 et 5 atomes de carbone est purifié en un hydrolysat contenant des sucres en C5/ C6 à haute teneur en sucre monomérique/faible teneur en sucre oligomérique:
L’utilisation de ce mélange traité de sucres C5/C6 est bénéfique pour de nombreuses applications de conversion chimique (conversion du xylose en xylitol par catalyse) ou biochimiques (propagation de levures, induction de champignon pour la production d’enzymes par exemple).
A noter que le traitement de jus sucrée par hydrolyse enzymatique s’effectue sur un milieu clair, il est facile de séparer les enzymes par une séparation par tamisage, par différence de taille entre les composants à séparer et celle des pores de la membrane, par exemple des membranes d’ultrafiltration, pour retirer et recycler les micro-organismes.
On peut concentrer le jus sucré traité selon l’invention, si nécessaire, jusqu’à une teneur de par exemple 50 g/kg, ce qui est d’autant plus avantageux que ce jus de sucres est utilisé pour la production des enzymes et propagation des levures. L’étape de traitement de jus est donc parfaitement intégrée à la production d’éthanol et/ou de sucres 2G.
Exemples mettant en œuvre un procédé de conversion de biomasse
Exemple 9: Procédé de production de sucres (comparatif) :
Une biomasse lignocellulosique 1 contenant 24% poids de xylane et 33% poids de cellulose et dont la teneur en matière sèche est de 88% poids subit un prétraitement 2 qui consiste en :
- une imprégnation par une solution aqueuse d’acide sulfurique : l’imprégnation est effectuée en présence de liqueur acide chauffée à 80°C. La concentration en acide dans la liqueur est de 2,5% poids (exprimée en % poids d’H2SO4).
- l’introduction de cette biomasse imprégnée au sein d’un réacteur sous pression chauffé à 185°C avec injection de vapeur, pendant un temps de séjour de 5 min.
- une détente à pression atmosphérique libérant de la vapeur et une biomasse prétraitée ayant un taux de matière sèche de 44% poids.
Les conversions sont indiquées dans le tableau 5 ci-dessous :
Avancement des réactions
Cellulose vers glucose monomère % poids 8,89
Cellulose vers glucose oligomère % poids 2,48
Cellulose vers 5-HMF % poids 0,60
Xylane vers xylose monomère % poids 44,9
Xylane vers xylose oligomère % poids 5,12
Xylane vers furfural % poids 22,0
La biomasse prétraitée 3 est ensuite mise en contact avec de l’eau 5 et alimente un filtre-à-bande 4 pour effectuer une séparation solide/liquide permettant l’obtention du jus sucré 6 et d’une biomasse prétraitée et lavée 7.
La teneur en sucres dans le jus sucré 6 est déterminée par HPLC (Chromatographie phase liquide haute performance), et permet de déterminer un rendement d’extraction des sucres défini comme étant le ratio entre la quantité de sucres extraits dans le jus 6 et la quantité de sucres présents dans la biomasse prétraitée 3. Ce rendement est de 77%.
La concentration en composés d’intérêt de ce jus sucré est donnée dans le tableau 6 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs. La teneur en matière sèche dans le jus sucré est de 6,9% poids. Le jus contient 43,0 g/kg de sucres glucose et xylose.
Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées.
Concentration Jus sucré 6 Type de sucre/composé
Xylose g/kg 33,0 Sucre C5
Xylose – oligomère g/kg 3,3 Forme oligomérique du xylose
Glucose g/kg 10,0 Sucre C6
Glucose -oligomère g/kg 2,5 Forme oligomérique du glucose
Furfural g/kg 2,7 Produits de dégradation des sucres
5-HMF g/kg 0,55 Produits de dégradation des sucres
Le rendement en sucres monomériques C5 et C6 dans le jus par rapport aux sucres potentiels C5 et C6 présents dans la biomasse est de 17,4%. Le rendement en sucres monomériques C5 par rapport aux sucres C5 potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique est de 33,8% poids, et le rendement en sucres monomériques C6 par rapport aux sucres C6 potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique est de 6,7% poids.
La biomasse prétraitée et lavée 7 alimente un réacteur d’hydrolyse enzymatique 14. L’hydrolyse est réalisée dans les conditions opératoires suivantes : 50°C, pH 4,8. La teneur en matière sèche est de 16,8% poids, soit 7,5% poids de cellulose. La quantité d’enzymes ajoutée est de 21,7 mg protéines/g cellulose. Le cocktail enzymatique utilisé a été produit parTrichoderma reeseiet possède une activité FPase et beta-glucosidase. Dans les conditions mises en œuvre, le rendement de conversion de la cellulose en glucose est de 83% poids.
L’hydrolysat obtenu 15 est ensuite filtré sur un filtre-presse pour éliminer un résidu solide 19 et obtenir un jus sucré 20.
La teneur en sucres dans le jus sucré 20 est déterminée par HPLC (Chromatographie phase liquide haute performance), et permet de déterminer un rendement d’extraction des sucres défini comme étant le ratio entre la quantité de sucres extraits dans le jus 20 et la quantité de sucres présents dans l’hydrolysat 15 : ce rendement est de 74%.
La teneur en matière sèche du résidu solide 19 est de 33,5% poids.
La concentration en composés d’intérêt dans le jus sucré 20 est donnée dans le tableau 7 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs. La teneur en matière sèche dans le jus sucré est de 9,3% poids. Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées.
Concentration Jus sucré 20 Type de sucre/composé
Xylose g/kg 7,6 Sucre C5
Glucose g/kg 78,6 Sucre C6
Furfural g/kg 0,6 Produits de dégradation des sucres
5-HMF g/kg 0,1 Produits de dégradation des sucres
Le rendement en sucres monomériques dans le jus par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse est de 36,4%.
Ainsi, en rassemblant les deux jus de sucres obtenus, le jus 6 et le jus 20, le rendement en sucres monomériques par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse est de 53,8% poids. Le rendement en sucres monomériques C5 par rapport aux sucres C5 potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique est de 41,9% poids, et le rendement en sucres monomériques C6 par rapport aux sucres C6 potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique est de 61,5% poids.
Exemple 10: Procédé de production de sucres - Selon l’invention
Une biomasse lignocellulosique 1 contenant 24% poids de xylane et 33% poids de cellulose et dont la teneur en matière sèche est de 88% poids subit un prétraitement 2 qui consiste en :
- une imprégnation par une solution aqueuse d’acide sulfurique : l’imprégnation est effectuée en présence de liqueur acide chauffée à 80°C. La concentration en acide dans la liqueur est de 2,5% poids (exprimée en % poids d’H2SO4).
- l’introduction de cette biomasse imprégnée au sein d’un réacteur sous pression chauffé à 185°C avec injection de vapeur, pendant un temps de séjour de 5 min.
- une détente à pression atmosphérique libérant de la vapeur et une biomasse prétraitée ayant un taux de matière sèche de 44% poids.
Les conversions sont indiquées dans le tableau 8 ci-dessous :
Avancement des réactions
Cellulose vers glucose monomère % poids 8,89
Cellulose vers glucose oligomère % poids 2,48
Cellulose vers 5-HMF % poids 0,60
Xylane vers xylose monomère % poids 44,9
Xylane vers xylose oligomère % poids 5,12
Xylane vers furfural % poids 22,0
La biomasse prétraitée 3 est ensuite mise en contact avec de l’eau 5 et alimente un filtre-à-bande 4 pour effectuer une séparation solide/liquide permettant l’obtention du jus sucré 6 et d’une biomasse prétraitée et lavée 7.
La teneur en sucres dans le jus sucré 6 est déterminée par HPLC (Chromatographie phase liquide haute performance), et permet de déterminer un rendement d’extraction des sucres défini comme étant le ratio entre la quantité de sucres extraits dans le jus 6 et la quantité de sucres présents dans la biomasse prétraitée 3. Ce rendement est de 77%.
La concentration en composés d’intérêt de ce jus sucré est donnée dans le tableau 9 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs. La teneur en matière sèche dans le jus sucré initial est de 6,9% poids. Le jus contient 43,0 g/kg de sucres glucose et xylose.
Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées.
Concentration Jus sucré 6 Type de sucre/composé
Xylose g/kg 33,0 Sucre C5
Xylose – oligomère g/kg 3,3 Forme oligomérique du xylose
Glucose g/kg 10,0 Sucre C6
Glucose -oligomère g/kg 2,5 Forme oligomérique du glucose
Furfural g/kg 2,7 Produits de dégradation des sucres
5-HMF g/kg 0,55 Produits de dégradation des sucres
Le jus sucré 6 est traité dans un réacteur 24 agité en batch, pendant 1 heure à 120°C en présence d'H2SO4. 1% poids d’H2SO4pur est ajouté au jus sucré 6.
La concentration en composés d’intérêt dans le jus sucré après traitement par hydrolyse acide est donnée dans le tableau 10 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs.
Concentration Jus sucré 26 Type de sucre/composé
Xylose g/kg 34,1 Sucre C5
Xylose – oligomère g/kg 2,2 Forme oligomérique du xylose
Glucose g/kg 10,9 Sucre C6
Glucose -oligomère g/kg 1,6 Forme oligomérique du glucose
Furfural g/kg 2,7 Produits de dégradation des sucres
5-HMF g/kg 0,55 Produits de dégradation des sucres
Le jus sucré 26 obtenu selon le procédé de l’invention présente donc une teneur en sucres oligomériques réduite de 35% par rapport au jus sucré 6. Le rendement en sucres monomériques C5 et C6 dans le jus par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique 1 est de 18,2% poids. L’augmentation du rendement en glucose et en xylose dans le jus 26 est respectivement de 9% poids et 4% poids.
La biomasse prétraitée et lavée 7 alimente un réacteur d’hydrolyse enzymatique 14. L’hydrolyse est réalisée dans les conditions opératoires suivantes : 50°C, pH 4,8. La teneur en matière sèche est de 16,8% poids, soit 7,5% poids de cellulose. La quantité d’enzymes ajoutée est de 21,7 mg protéines/g cellulose. Le cocktail enzymatique utilisé a été produit parTrichoderma reeseiet possède une activité FPase et beta-glucosidase. Dans les conditions mises en œuvre, le rendement de conversion de la cellulose en glucose est de 83% poids.
L’hydrolysat obtenu 15 est ensuite filtré sur un filtre-presse pour éliminer un résidu solide 19 et obtenir un jus sucré 20.
La teneur en sucres dans le jus sucré 20 est déterminée par HPLC (Chromatographie phase liquide haute performance), et permet de déterminer un rendement d’extraction des sucres défini comme étant le ratio entre la quantité de sucres extraits dans le jus 20 et la quantité de sucres présents dans l’hydrolysat 15 : ce rendement est de 74%.
La teneur en matière sèche du résidu solide 19 est de 33,5% poids.
La concentration en composés d’intérêt dans le jus sucré 20 est donnée dans le tableau 11 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs. La teneur en matière sèche dans le jus sucré est de 9,3% poids. Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées.
Concentration Jus sucré 20 Type de sucre/composé
Xylose g/kg 7,6 Sucre C5
Glucose g/kg 78,6 Sucre C6
Furfural g/kg 0,6 Produits de dégradation des sucres
5-HMF g/kg 0,1 Produits de dégradation des sucres
Le rendement en sucres monomériques dans le jus par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse est de 36,4%.
Ainsi, en rassemblant les deux jus de sucres obtenus, le jus 26 et le jus 20, le rendement en sucres monomériques par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse est de 55%poids, donc un rendement amélioré. Le rendement en sucres monomériques C5 par rapport aux sucres C5 potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique est de 43,1% poids, et le rendement en sucres monomériques C6 par rapport aux sucres C6 potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique est de 62,1% poids.
Exemple 11: Procédé de production de sucres – selon l’invention
Une biomasse lignocellulosique 1 contenant 24% poids de xylane et 33% poids de cellulose et dont la teneur en matière sèche est de 88% poids subit un prétraitement 2 qui consiste en :
- une imprégnation par une solution aqueuse d’acide sulfurique : l’imprégnation est effectuée en présence de liqueur acide chauffée à 80°C. La concentration en acide dans la liqueur est de 2,5% poids (exprimée en % poids d’H2SO4).
- l’introduction de cette biomasse imprégnée au sein d’un réacteur sous pression chauffé à 150°C avec injection de vapeur, pendant un temps de séjour de 7 min.
- une détente à pression atmosphérique libérant de la vapeur et une biomasse prétraitée ayant un taux de matière sèche de 45% poids.
Les conversions sont indiquées dans le tableau 12 ci-dessous :
Avancement des réactions
Cellulose vers glucose monomère % poids 3,70
Cellulose vers glucose oligomère % poids 5,24
Cellulose vers 5-HMF % poids 0,06
Xylane vers xylose monomère % poids 44,9
Xylane vers xylose oligomère % poids 26,1
Xylane vers furfural % poids 3,22
La biomasse prétraitée 3 est ensuite mise en contact avec de l’eau 5 et alimente un filtre-à-bande 4 pour opérer une séparation solide/liquide permettant l’obtention du jus sucré 6 et d’une biomasse prétraitée et lavée 7.
La teneur en sucres dans le jus sucré 6 est déterminée par HPLC (Chromatographie phase liquide haute performance), et permet de déterminer un rendement d’extraction des sucres défini comme étant le ratio entre la quantité de sucres extraits dans le jus 6 et la quantité de sucres présents dans la biomasse prétraitée 3. Ce rendement est de 77%.
La concentration en composés d’intérêt de ce jus sucré est donnée dans le tableau 13 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs. La teneur en matière sèche dans le jus sucré initial est de 8,0% poids. Le jus contient 37,3 g/kg de sucres glucose et xylose.
Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées.
Concentration Jus sucré 6 Type de sucre/composé
Xylose g/kg 33,1 Sucre C5
Xylose – oligomère g/kg 16,9 Forme oligomérique du xylose
Glucose g/kg 4,19 Sucre C6
Glucose -oligomère g/kg 5,34 Forme oligomérique du glucose
Furfural g/kg 0,39 Produits de dégradation des sucres
5-HMF g/kg < 0,1 Produits de dégradation des sucres
Le rendement en sucres monomériques C5 et C6 dans le jus par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique est de 15%.
Les conditions opératoires mises en œuvre à l’étape de prétraitement 2, notamment le temps de séjour, la température et la concentration en acide dans la liqueur, permettent d’avoir un rendement en sucres monomériques C5 par rapport aux sucres potentiels C5 présents dans la biomasse de 33,8% poids, soit un rendement équivalent à celui de l’exemple 9, mais avec des conditions de prétraitement moins sévères : .
En effet, la température de l'étape de prétraitement est ici de 150°C et non de 185°C, et on obtient pourtant le même rendement sucres 5 dans le jus 6, avec un gain supplémentaire de rendement grâce à l'étape d'hydrolyse selon l'invention qui permet d'avoir un jus 26 appauvri en oligomères et riches en monomères C5.
Le jus sucré 6 est traité dans un réacteur agité en batch 24, pendant 1 heure à 120°C en présence d'H2SO4à 1% poids d’H2SO4pur est ajouté au jus sucré 6.
La concentration en composés d’intérêt dans le jus sucré après traitement par hydrolyse acide est donnée dans le tableau 14 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs.
Concentration Jus sucré 26 Type de sucre/composé
Xylose g/kg 39,0 Sucre C5
Xylose – oligomère g/kg 11,0 Forme oligomérique du xylose
Glucose g/kg 6,06 Sucre C6
Glucose -oligomère g/kg 3,47 Forme oligomérique du glucose
Furfural g/kg 0,39 Produits de dégradation des sucres
5-HMF g/kg < 0,1 Produits de dégradation des sucres
Le jus sucré 26 obtenu selon le procédé de l’invention présente donc une teneur en sucres oligomériques réduite de 35% par rapport au jus sucré 6. Le rendement en sucres monomériques dans le jus par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse est de 18,1% poids. L’augmentation du rendement en glucose et en xylose dans le jus 26 est respectivement de 45% poids et 18% poids.
La biomasse prétraitée et lavée 7 alimente un réacteur d’hydrolyse enzymatique 14. L’hydrolyse est réalisée dans les conditions opératoires suivantes : 50°C, pH 4,8. La teneur en matière sèche est de 16,6% poids, soit 7,5% poids de cellulose. La quantité d’enzymes ajoutée est de 21,7 mg protéines/g cellulose. Le cocktail enzymatique utilisé a été produit parTrichoderma reeseiet possède une activité FPase et beta-glucosidase. Dans les conditions mises en œuvre, le rendement de conversion de la cellulose en glucose est de 83% poids.
L’hydrolysat obtenu 15 est ensuite filtré sur un filtre-presse pour éliminer un résidu solide 19 et obtenir un jus sucré 20.
La teneur en sucres dans le jus sucré 20 est déterminée par HPLC (Chromatographie phase liquide haute performance), et permet de déterminer un rendement d’extraction des sucres défini comme étant le ratio entre la quantité de sucres extraits dans le jus 20 et la quantité de sucres présents dans l’hydrolysat 15 : ce rendement est de 74%.
La teneur en matière sèche du résidu solide 19 est de 33,5% poids.
La concentration en composés d’intérêt dans le jus sucré 20 est donnée dans le tableau 15 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que le jus contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de (très) faibles teneurs. La teneur en matière sèche dans le jus sucré est de 9,4% poids. Les concentrations des sucres minoritaires, comme l’arabinose, le galactose et le mannose pour cette biomasse, ne sont pas indiquées.
Concentration Jus sucré 20 Type de sucre/composé
Xylose g/kg 10,0 Sucre C5
Glucose g/kg 77,6 Sucre C6
Furfural g/kg < 0,1 Produits de dégradation des sucres
5-HMF g/kg < 0,1 Produits de dégradation des sucres
Le rendement en sucres monomériques dans le jus par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse est de 38,4%.
Ainsi, en rassemblant les deux jus de sucres obtenus, le jus 26 et le jus 20, le rendement en sucres monomériques par rapport aux sucres potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique 1 est de 57% poids. Le rendement en sucres monomériques C5 par rapport aux sucres C5 potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique est de 50,9% poids, et le rendement en sucres monomériques C6 par rapport aux sucres C6 potentiels présents dans la biomasse lignocellulosique est de 60,2% poids Le procédé selon l’invention permet donc d’atteindre des rendements élevés en sucres monomériques, tout en réduisant la température à l’étape de prétraitement, ce qui est très avantageux du point de vue de la consommation énergétique du procédé (réduction de la consommation de vapeur).

Claims (15)

  1. Procédé de traitement d’une biomasse lignocellulosique, ledit procédé comprenant
    - a) une étape de prétraitement (2) de la biomasse, comprenant une cuisson de la biomasse, éventuellement accompagnée d’une explosion à la vapeur, pour obtenir une biomasse prétraitée (3)
    - b) une première étape de séparation solide/liquide de tout ou partie (3a) de la biomasse prétraitée (3) obtenue à l’étape a) en une première fraction solide (7) de biomasse prétraitée et une première fraction liquide (6) comprenant un mélange de composés, notamment en phase aqueuse, comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones, lesdits sucres C5 et/ou lesdits sucres C6 étant pour partie sous forme monomérique et pour partie sous forme oligomérique
    - c) une première étape d’hydrolyse enzymatique (14) de la première fraction solide (7) de biomasse prétraitée obtenue à l’étape b), pour obtenir un hydrolysat (15) sous forme de sucre(s), dont des sucres C6 avec 6 carbones,
    - d) une étape de traitement (24) de ladite première fraction liquide (6) obtenue à l’étape b) par hydrolyse en condition acide et/ou par une deuxième hydrolyse enzymatique, afin d’obtenir une première fraction liquide traitée (26) qui est enrichie en sucres C5 sous forme monomérique et/ou en sucres C6 sous forme monomérique et appauvrie en sucres C5 forme oligomérique et/ou en sucres C6 sous forme oligomérique.
  2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse en condition acide opérée à une température d’au moins 60°C, notamment d’au moins 70°C, notamment d’au moins 75°C, ou d’au moins 80°C, ou d’au moins 90°C, ou d’au moins100°C, et de préférence d’au plus 140°C, notamment d’au plus 130°C.
  3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse en condition acide opérée avec au moins 0,1% poids d’acide ajouté dans ladite première fraction liquide (6), notamment entre 0,2 et 2,8% poids d’acide dans ledit mélange, et/ou avec un pH d’au plus 4,5, et de préférence compris entre 0,5 et 2,5.
  4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape de traitement d) est une deuxième étape d’hydrolyse enzymatique opérée à une température d’au plus 80°C ou d’au plus 70°C, notamment d’au moins 20°C, et est de préférence comprise entre 40 et 60°C.
  5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse enzymatique opérée à un pH d’au moins 3, notamment au moins 3,5, notamment d’au moins 4, et de préférence d’au plus 6.
  6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape de traitement d) est une étape d’hydrolyse enzymatique, et en ce qu’elle comprend une sous-étape d1) de séparation des enzymes de la première fraction liquide traitée (26), afin d’obtenir d’une part une première fraction liquide traitée et séparée (29), et d’autre part une fraction d’enzymes (28) qui est au moins pour partie recyclée à l’étape d).
  7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que seule une première partie (3a) de la biomasse prétraitée (3) obtenue à l’étape a) est conduite vers la première étape b) de séparation solide/liquide, et en ce qu’une deuxième partie (3b) de la biomasse prétraitée (3) est conduite directement à l’étape c) d’hydrolyse enzymatique.
  8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend également une étape e) de fermentation (16) par des deuxièmes micro-organismes de l’hydrolysat sous forme de sucre(s) obtenu à l’étape c), afin d’obtenir une biomasse fermentée (17) comprenant au moins un alcool, notamment de l’éthanol.
  9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une étape f) de production d’enzymes (8) à partir de premiers micro-organismes, notamment des champignons, afin d’utiliser lesdites enzymes pour assurer l’hydrolyse enzymatique de l’étape c), et en ce qu’on envoie tout ou partie de la première fraction liquide traitée (26) obtenue à l’étape d) en tant que substrat de croissance desdits premiers micro-organismes et/ou de production des enzymes par lesdits premiers micro-organismes.
  10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’il comprend une étape i) de propagation (11) de deuxièmes micro-organismes de fermentation, afin d’utiliser lesdits micro-organismes, notamment des levures, pour assurer la fermentation de l’étape e), et en ce qu’on envoie tout ou partie tout ou partie de la première fraction liquide traitée (26) obtenue à l’étape d) vers ladite étape i) en tant que substrat de propagation desdits troisièmes micro-organismes.
  11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’on envoie la première fraction liquide traitée (26) obtenue à l’étape d) à l’étape e) de fermentation (16).
  12. Procédé selon l’une des revendications 8 ou 10, caractérisé en ce que les premiers micro-organismes utilisés à l’étape f) et éventuellement les deuxièmes micro-organismes utilisés aux étapes i) et e) sont choisis parmi les levures, les bactéries, les champignons, et de préférence parmi les levures dans le genreSaccharomyces, notamment l’espèceSaccharomyces cerevisaeou, parmi les bactéries, dans le genreCorynebacterium.
  13. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le prétraitement (2) selon l’étape a) de la biomasse comprend
    - a1) une sous-étape d’imprégnation de la biomasse (1) par une liqueur, notamment acide, pour obtenir une biomasse imprégnée
    - a2) une sous-étape de cuisson de la biomasse imprégnée, éventuellement accompagnée d’une explosion à la vapeur, pour obtenir une biomasse prétraitée (3).
  14. Procédé selon la revendication 8, 10 ou 11, caractérisé en ce qu’il comprend également :
    - une étape j) de séparation, notamment par distillation (21), de la biomasse fermentée sous forme d’alcool (20) obtenue à l’étape e), avec une éventuelle étape k) de séparation solide/liquide de la biomasse fermentée avant ou après ladite étape j) de séparation.
  15. Installation de traitement d’une biomasse lignocellulosique, ladite installation comprenant
    - a) une unité de prétraitement (2) de la biomasse, comprenant un dispositif de cuisson de la biomasse, éventuellement accompagnée d’une explosion à la vapeur, pour obtenir une biomasse prétraitée
    - b) une première unité de séparation solide/liquide (4), comprenant notamment un dispositif de filtration, de tout ou partie (3a) de la biomasse prétraitée (3) obtenue dans l’unité a) en une première fraction solide (7) de biomasse prétraitée et une première fraction liquide (6) comprenant un mélange de composés, notamment en phase aqueuse, comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones, lesdits sucres C5 et/ou lesdits sucres C6 étant pour partie sous forme monomérique et pour partie sous forme oligomérique
    - c) une unité d’hydrolyse enzymatique (14) de la première fraction solide (7) de biomasse prétraitée obtenue à l’étape b), pour obtenir un hydrolysat (15) sous forme de sucre(s), dont des sucres C6 avec 6 carbones,
    - une unité de traitement (24) de ladite première fraction liquide (6) obtenue à l’étape b) par hydrolyse en condition acide et/ou par hydrolyse enzymatique, afin d’obtenir une première fraction liquide traitée (26) qui est enrichie en sucres C5 sous forme monomérique et/ou en sucres C6 sous forme monomérique et appauvrie en sucres C5 forme oligomérique et/ou en sucres C6 sous forme oligomérique.
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