OA21920A

OA21920A - Process for producing bioethanol from lignocellulosic biomass.

Info

Publication number: OA21920A
Application number: OA1202300088
Authority: OA
Inventors: Constantin TCHUIDJANG TCHAMBA Thierry; NOUBISSIÉ Eric; Ahmed Ali
Original assignee: Université de Ngaoundéré
Filing date: 2023-03-01
Publication date: 2025-07-14

Abstract

L’invention se rapporte à un procédé pour la production de bioéthanol à partir de la biomasse lignocellulosique. Ce procédé comprend 4 étapes à savoir : le prétraitement ; l’hydrolyse ; la fermentation de l’éthanol et la récupération de l’éthanol. La température de prétraitement est comprise entre 160°C et 190°C, préférentiellement entre 170°C et 190°C avec un réactif choisi parmi la soude, l’acide sulfurique. Cette température de prétraitement est comprise entre 170°C et 215°C, préférentiellement entre 180°C et 200°C avec un solvant choisi parmi l’éthanol, le méthanol, le propanol, l’acétone, l’hexane. Enfin, la quantité de réactifs utilisés est de 4% à 12% en poids préférentiellement de 5% à 10% de la quantité de matière sèche.The invention relates to a process for the production of bioethanol from lignocellulosic biomass. This process comprises 4 stages, namely: pretreatment; hydrolysis; fermentation of ethanol and recovery of ethanol. The pretreatment temperature is between 160°C and 190°C, preferably between 170°C and 190°C with a reagent chosen from soda and sulfuric acid. This pretreatment temperature is between 170°C and 215°C, preferably between 180°C and 200°C with a solvent chosen from ethanol, methanol, propanol, acetone and hexane. Finally, the quantity of reagents used is 4% to 12% by weight, preferably 5% to 10% of the quantity of dry matter.

Description

La présente invention concerne la production du bioéthanol à partir de la biomasse lignocellulosique. La biomasse contient la cellulose, l’hémicellulose et la lignine ; la cellulose est une source de matières premières pour la production du bioéthanol des sous-produits de hautes valeurs ajoutées. Cette biomasse est une source de pollution de l’environnement avec des conséquences néfaste sur la santé de l’homme et le climat, la présente invention concerne un procédé de prétraitement et d’hydrolyse de la biomasse pour la production du bioéthanol.The present invention relates to the production of bioethanol from lignocellulosic biomass. The biomass contains cellulose, hemicellulose and lignin; cellulose is a source of raw materials for the production of bioethanol from high added value by-products. This biomass is a source of environmental pollution with harmful consequences on human health and the climate, the present invention relates to a process for pretreatment and hydrolysis of biomass for the production of bioethanol.

La production du bioéthanol se fait en quatre étapes : le prétraitement ; 1 hydrolyse ; la fermentation et la récupération de l’éthanol. Le prétraitement vise à séparer et rendre accessible les constituants intimement liés et cristallisés de la BLC : lignine, hémicellulose et lignine. Par action thermique chimique et/ou biologique, la structure de la lignine est détruite ou séparé, l'hémicellulose est plus ou moins hydrolysée, et la structure de la cellulose est modifiée.Bioethanol production is carried out in four stages: pretreatment; 1 hydrolysis; fermentation and ethanol recovery. Pretreatment aims to separate and make accessible the closely linked and crystallized constituents of the BLC: lignin, hemicellulose and lignin. By thermal, chemical and/or biological action, the structure of the lignin is destroyed or separated, the hemicellulose is more or less hydrolyzed, and the structure of the cellulose is modified.

Du fait de la structure de la cellulose, de sa cristallinité et de son association avec la lignine et les hémicelluloses encore présente, même après l’étape de prétraitement, son hydrolyse en monomères fermentescibles (glucose) est une opération difficile qui peut être réalisée par hydrolyse enzymatique.Due to the structure of cellulose, its crystallinity and its association with lignin and hemicelluloses still present, even after the pretreatment step, its hydrolysis into fermentable monomers (glucose) is a difficult operation which can be carried out by enzymatic hydrolysis.

La solution de sucres fermentescibles obtenue est soumise à l’action des microorganismes pour une fermentation. Les bactéries, les levures et les champignons sont capables de produire de l’éthanol à travers la fermentation des sucres.The resulting fermentable sugar solution is subjected to the action of microorganisms for fermentation. Bacteria, yeasts and fungi are capable of producing ethanol through the fermentation of sugars.

La récupération de l’éthanol se fait en deux étapes, la première étape de récupération de l’éthanol est la distillation. Cette opération de séparation basée sur la volatilité de l’alcool permet de passer d’une solution de 10°GL à une solution de 94°GL (degré Gay Lusac) d’éthanol. Or l’éthanol n’est pas le seul composé volatile dans le moût fermenté. 11 doit se retrouver dans la phase gazeuse avec d’autres composés gazeux tels que les acides gras, des alcools, des éthers et de l’eau. La phase gazeuse sera condensée et nécessitera une seconde distillation. La deuxième étape est la rectification : elle permet la séparation de l’éthanol des autres composés volatiles. Ces produits seront classés en deux catégories selon leur capacité à être distillé avant et après l’éthanol : les produite de têtes et les produite de queue. Elle consistera donc à une distillation fractionnée des produite contenus dans le condensât.Ethanol recovery is done in two stages, the first stage of ethanol recovery is distillation. This separation operation based on the volatility of the alcohol allows to go from a 10°GL solution to a 94°GL (Gay Lusac degree) ethanol solution. However, ethanol is not the only volatile compound in the fermented must. It must be found in the gas phase with other gaseous compounds such as fatty acids, alcohols, ethers and water. The gas phase will be condensed and will require a second distillation. The second stage is rectification: it allows the separation of ethanol from other volatile compounds. These products will be classified into two categories according to their capacity to be distilled before and after ethanol: head products and tail products. It will therefore consist of a fractional distillation of the products contained in the condensate.

La présente invention concerne le procédé de production du bioéthanol à partir de la biomasse lignocellulosique. La biomasse lignocellulosique en particulier les sciures de bois contiennent la cellulose ; en particulier la sciure de bois contient la cellulose, l’hémicellulose et la lignine, la cellulose est un polymère de glucose qui un grand potentiel pour la production du bioéthanol. L’utilisation de la sciure de bois pour la production du bioéthanol pour la production est limitée à cause de la structure récalcitrante (cellulose emprisonner par la lignine empêchant l’accès enzymes) et sa teneur élevé en lignineThe present invention relates to the process for producing bioethanol from lignocellulosic biomass. Lignocellulosic biomass, in particular sawdust, contains cellulose; in particular sawdust contains cellulose, hemicellulose and lignin. Cellulose is a glucose polymer which has great potential for the production of bioethanol. The use of sawdust for the production of bioethanol is limited due to its recalcitrant structure (cellulose trapped by lignin, preventing access by enzymes) and its high lignin content.

D’après les brevets N° TNP/2018/000248, N° PCT/EP2017/081056, N° PCT/EP2009/050690 et PCT/EP2009/000920, on connaît les procédés qui permettent d’obtenir le bioéthanol à partir de certaines biomasses lignocellulosiques, notamment celles qui sont moins récalcitrantes dont ont une teneur faible en lignine (10% 0 20%). Le procédé de production de bioéthanol le plus souvent utilisé se déroule selon les étapes suivantes : le prétraitement, qui consiste à séparer la lignine de la cellulose et de l’hémicellulose pour que la cellulose et l’hémicellulose soient accessibles aux enzymes ; l’hydrolyse chimique ou enzymatique qui permet de découper la longue chaîne de glucose et de xylose que contiennent la cellulose et l’hémicellulose ; la fermentation qui permet d’obtenir l’alcool grâce aux levures, et la distillation qui permet d’obtenir le bioéthanol.According to patents No. TNP/2018/000248, No. PCT/EP2017/081056, No. PCT/EP2009/050690 and PCT/EP2009/000920, the processes for obtaining bioethanol from certain lignocellulosic biomasses are known, in particular those which are less recalcitrant and which have a low lignin content (10% 0 20%). The most frequently used bioethanol production process takes place according to the following steps: pretreatment, which consists of separating the lignin from the cellulose and hemicellulose so that the cellulose and hemicellulose are accessible to enzymes; chemical or enzymatic hydrolysis which allows the long chain of glucose and xylose contained in the cellulose and hemicellulose to be cut; fermentation which allows alcohol to be obtained using yeasts, and distillation which allows bioethanol to be obtained.

Le brevet N° TNP/2018/000248 utilise un prétraitement chimique ordinaire en combinant un réactif alcalin (la soude, 4% à 12% en poids de matière sèche) et un réactif acide (l’acide sulfurique, 30% à 60% du volume total), puis une hydrolyse enzymatique et une fermentation. Le brevet N° PCT/EP2017/081056 utilise un prétraitement chimique à l’acide formique en vue de la production du bîoéthanol. Le brevet PCT/EP2009/000920 utilise une enzyme de dîphospho sucre-épimérase (NDPSE) dans la production de bioéthanol à partir de la biomasse lignocellulosique.Patent No. TNP/2018/000248 uses ordinary chemical pretreatment by combining an alkaline reagent (soda, 4% to 12% by weight of dry matter) and an acidic reagent (sulfuric acid, 30% to 60% of the total volume), followed by enzymatic hydrolysis and fermentation. Patent No. PCT/EP2017/081056 uses chemical pretreatment with formic acid for the production of bioethanol. Patent PCT/EP2009/000920 uses a diphospho sugar epimerase (NDPSE) enzyme in the production of bioethanol from lignocellulosic biomass.

En ce qui concerne la production de l’éthanol avec la sciure de bois et autres biomasses ayant une teneur élevée en lignine, le prétraitement ordinaire et la combinaison des prétraitements en parallèle ne suffit pas. Une combinaison des deux méthodes de prétraitement en série permettra de délîgnîfier les biomasses ayant une forte teneur en lignine ((20% à 30%). Cet objectif est essentiellement atteint selon l’invention par un procédé pour la production de bioéthanol à partir de la biomasse lignocellulosique. Un tel procédé comporte des étapes clés avec des réactifs et des solvants.When it comes to ethanol production from sawdust and other biomasses with high lignin content, ordinary pretreatment and combination of pretreatments in parallel is not sufficient. A combination of both pretreatment methods in series will allow delignification of biomasses with high lignin content (20% to 30%). This objective is essentially achieved according to the invention by a process for the production of bioethanol from lignocellulosic biomass. Such a process comprises key steps with reagents and solvents.

Le réactif utilisé selon l’invention peut être la soude, l’acide sulfurique, etc., et le solvant utilisé selon l’invention peut être l’éthanol, le méthanol, le propanol, l’acétone, l’hexane et d’autres solvants organiques. La quantité de réactif qu’on peut utiliser varie de 4% !The reagent used according to the invention can be sodium hydroxide, sulfuric acid, etc., and the solvent used according to the invention can be ethanol, methanol, propanol, acetone, hexane and other organic solvents. The amount of reagent that can be used varies from 4%!

à 12% en poids favorablement de 5% à 10% de la quantité de matière sèche. La quantité de 65 solvant utilisé selon l’invention va de 30% à 60% en volume, favorablement 40% à 50% en volume de la quantité de volume total de solvant utilisé pour le prétraitement. Les quantités d’enzymes utilisées varient selon l’activité enzymatique et les levures utilisées entre 0,1% à 1% en poids du volume de fermentation.at 12% by weight, favorably from 5% to 10% of the quantity of dry matter. The quantity of solvent used according to the invention ranges from 30% to 60% by volume, favorably 40% to 50% by volume of the quantity of total volume of solvent used for the pretreatment. The quantities of enzymes used vary according to the enzymatic activity and the yeasts used between 0.1% to 1% by weight of the fermentation volume.

Le prétraitement avec un réactif alcalin a lieu à une température de 160°C à 190°C, 70 avantageusement entre 170°C à 190°C. Dans le cas où la biomasse a beaucoup de particules de tailles supérieures à 2 millimètres, on effectue un broyage mécanique afin d’obtenir des particules de tailles inférieures à 2 millimètres. Le prétraitement avec solvant a lieu à une température variant entre 170°C à 215°C, avantageusement à 180°C à 200°C.The pretreatment with an alkaline reagent takes place at a temperature of 160°C to 190°C, advantageously between 170°C and 190°C. In the case where the biomass has many particles larger than 2 millimeters, mechanical grinding is carried out in order to obtain particles smaller than 2 millimeters. The pretreatment with solvent takes place at a temperature varying between 170°C and 215°C, advantageously at 180°C and 200°C.

Du fait de la structure de la cellulose, de sa cristallinité et de son association avec la 75 lignine et les hémicelluloses encore présents, même après l’étape de prétraitement, son hydrolyse en monomères fermentescibles (glucose) est une opération difficile.Due to the structure of cellulose, its crystallinity and its association with lignin and hemicelluloses still present, even after the pretreatment step, its hydrolysis into fermentable monomers (glucose) is a difficult operation.

La solution de sucres fermentescibles obtenue est soumise à l’action des microorganismes pour une fermentation. Les bactéries, les levures et les champignons sont capables de produire de l’éthanol à travers la fermentation des sucres. Les souches 80 généralement utilisées pour la fermentation des hexoses sont Saccharomyces cerevisiae et Zymomonas mobilisThe resulting solution of fermentable sugars is subjected to the action of microorganisms for fermentation. Bacteria, yeasts and fungi are capable of producing ethanol through the fermentation of sugars. The strains generally used for the fermentation of hexoses are Saccharomyces cerevisiae and Zymomonas mobilis.

Après fermentation, l’éthanol se trouve dans un moût contenant principalement de l’eau et des produits de la dégradation de la biomasse, des substances ajoutées au cours du procédé mais également d’autres molécules produites par les microorganismes simultanément 85 à la production du bioéthanol, comme les alcools supérieurs. Le moût doit être débarrassé de ces différentes substances pour obtenir le bioéthanol par distillation.After fermentation, ethanol is found in a must containing mainly water and biomass degradation products, substances added during the process but also other molecules produced by microorganisms simultaneously 85 with the production of bioethanol, such as higher alcohols. The must must be freed from these different substances to obtain bioethanol by distillation.

Claims

1. Process for the production of bioethanol from lignocellulosic biomass;

• Pretreatment so the temperature is between 160°C and 200°C;

• Hydrolysis therefore the quantity of reagent used is 4% 0 12% by weight of dry matter;

• Ethanol fermentations;

• Recovery of ethanol.

2. Process for the production of bioethanol according to claim 1, characterized in that the pretreatment temperature is between 160°C and 190°C, preferably between 170°C and 190°C, with a reagent chosen from soda and sulfuric acid.

3. Process for the production of bioethanol according to claim 1, characterized in that the pretreatment temperature is between 170°C and 215°C, preferably between 180°C and 200°C, with a solvent chosen from ethanol, methanol, propane, acetone, hexane.

4. Process for the production of bioethanol according to claims 1 and 2, characterized in that the quantity of reagent used is from 4% to 12% by weight, preferably from 5% to 10% of dry matter.

5. Process for the production of bioethanol according to claims 1 and 3, characterized in that the quantity of solvent used according to the invention is 30% to 60% of the volume, preferably 40% to 50% of the total volume of solvent used for the pretreatment.

6. Process for the production of bioethanol according to claims 1, 2 and 3, characterized in that the quantity of enzyme used according to the invention is 0.02% to 0.2% of the volume, preferably 0.01% to 0.1% of the total volume of solvent used for the pretreatment.

7. Process for the production of bioethanol according to claims 1, 2 and 3, characterized in that the quantity of yeast used according to the invention is from 0.1 ppm to 10 ppm of the volume, preferably 0.5 ppm to 2.5 ppm of the total volume of solvent used for the pretreatment.

8. Process for the production of bioethanol according to the preceding claims, characterized by the use of biomass with a high lignin content for the production of bioethanol.