WO2006131643A2 - Procédé d'enrichissement de résidus lignocellulosiques en protéines de levure - Google Patents

Procédé d'enrichissement de résidus lignocellulosiques en protéines de levure Download PDF

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Universidad Autonoma Metropolitana (UAM)
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    • Y02P60/87—Re-use of by-products of food processing for fodder production

Definitions

  • the subject of the present invention is a process for enriching a lignocellulosic residue, for example sugarcane bagasse, with yeast proteins, especially comprising the use of sugar cane molasses and distillery vinasse. It also relates to enriched bagasse as obtained.
  • sugar refineries and alcohol distilleries are harmful to the environment. Indeed, the sugar industry produces two tons of sugar cane bagasse, which is a fibrous lignocellulosic solid residue from the milling of the plant, per tonne of refined sugar, which represents in Cuba 10 to 20 million tons of bagasse per year.
  • Another pollutant by-product is sugar cane molasses, which is a liquid residue that is very rich in sugars and certain mineral salts.
  • alcohol distilleries often associated with the production of cane sugar, emit large quantities of volatile compounds that are more or less harmful to the environment (mainly ethanol). Alcohol distilleries also release highly polluting, but mineral-rich vinasses into the environment. Thus, still in Cuba, it is estimated that 1,600 tons of ethanol, a compound whose emission is subject to control, are released each year into the atmosphere.
  • the present invention aims to provide a method for, on the one hand, to value sugarcane bagasse, and, on the other hand, to limit the large emissions into the ethanol atmosphere.
  • the present invention aims to provide such a method corresponding to an effective and inexpensive biological treatment method, which finds applications on an industrial scale, particularly in tropical countries producing cane sugar and / or alcohol.
  • the present invention aims to provide a method where the yeast grows directly on a lignocellulosic support (bagasse for example) to produce a feed for livestock. It does not need to be cultured in a liquid medium at first, separated from this medium (centrifugation or filtration), before being mixed with the bagasse.
  • the present invention relates to the use of sugar cane molasses and distillery vinasse, for the implementation of a process for enriching lignocellulosic residue, especially bagasse or straw, in yeast proteins.
  • sugarcane molasses refers to a liquid residue very rich in sugars and certain mineral salts (Biart, Serrano and Conde, 1982, Ed. ICIDCA, Havana, Cuba, "Estudio de las manses de la cana de az ⁇ car ").
  • the sugarcane molasses is used as a culture medium for preparing active inoculum from a yeast strain.
  • Distillery vinasse is an acid polluting effluent, rich in mineral salts commonly discharged into rivers.
  • the vinasse is used as a source of mineral salts.
  • the lignocellulosic residue is a solid residue derived from the grinding of plants.
  • An example of a lignocellulosic residue is straw, which generally refers to a stalk cut from certain plants, hay, sawdust or sugar beet chips.
  • the bagasse is as described in the reference: "Manual de los derivados de la
  • bagasse which is a by-product of the sugar industry, is used as a solid support for the process.
  • the enrichment process makes it possible to obtain bagasse enriched in yeast proteins and in particular containing at least approximately 8% of proteins relative to the total dry weight of the bagasse.
  • the use according to the invention is characterized in that the process for enriching yeast protein bagasse comprises a step of preparing an active inoculum by incubation of at least one yeast strain.
  • fodder including Candida used with molasses of sugar cane.
  • yeast strain feed is meant a yeast rich in highly nutritious protein, as described in the reference “los Manual derivados of Cana Azucar” 3ra edici ⁇ n, Ciudad Habana, ICIDCA May 2000, Section 4.8 ,
  • the present invention also relates to the use as defined above, characterized in that the process for enriching bagasse with yeast proteins comprises a step of culturing the active inoculum as defined above, with Distillery vinasse on bagasse of sugar cane.
  • the present invention also relates to a process for enriching lignocellulosic residue, in particular bagasse, in yeast proteins, comprising the following steps:
  • the present invention comprises the use of a strain of Candida utilis, also called Torula utilis ("Manual de los derivados de la Cana de Azucar", 3ra edici ⁇ n, Ciudad Habana, ICIDCA, 2000, chapter 4.9, Publisher: Luis Galvez Taupier).
  • the active inoculum forms with the distillery vinasse a liquid mixture, which is then mixed with the bagasse which serves as a solid support.
  • the process of the invention is an aerobic process (which requires the presence of oxygen).
  • the present invention also relates to a process for enriching bagasse with yeast proteins, comprising the following steps:
  • the continuous addition to bagasse of sugar cane, ethanol as carbon source allowing the consumption of ethanol by the yeast mentioned above and the production of bagasse enriched in yeast proteins.
  • the ethanol added continuously is in the gas phase.
  • the originality of the process of the invention is based on the use of sugarcane bagasse, which is a by-product of the sugar industry, distillery vinasse which is a polluting effluent, generally rejected in a course of production. water, rich in mineral salts and ethanol vapors from evaporation losses during alcoholic fermentation, to obtain a feed for cattle, enriched in proteins.
  • bagasse is sometimes used as a feed for livestock, provided it is supplemented with proteins that can be of plant origin (soy) or microbial (yeasts).
  • proteins that can be of plant origin (soy) or microbial (yeasts).
  • the process of the invention makes it possible to produce a bagasse enriched with proteins from an active inoculum.
  • the most common in the prior art is to produce the yeast in a liquid medium, to separate it from the medium by centrifugation and then to mix it with the bagasse.
  • the multiplication rate of the active inoculum on bagasse under the conditions described above is about 100 in about 7 days.
  • the process for enriching yeast protein bagasse of the present invention comprises the following steps: The preparation of an active inoculum by incubation of at least one yeast strain of fodder, in particular Candida utilis, with cane molasses,
  • the process for enriching yeast protein bagasse of the invention comprises the following steps:
  • the bagasse is placed in synthetic fiber bags, which can contain between 3 and 17 kilograms of wet bagasse (corresponding to the initial medium) of a mesh sufficient to let through and diffuse the gases and fairly tight, however. to contain bagasse and prevent it from scattering. This makes it easier to handle the wet bagasse when it is placed in the reactor and also to facilitate the handling of the finished product that can be used directly for livestock.
  • the present invention also relates to a process for enriching bagasse with yeast proteins as defined above, comprising the following steps:
  • the present invention also relates to a process for enriching bagasse with yeast proteins as defined above, comprising the following steps: the preparation of an active inoculum by incubation of at least one yeast strain, in particular Candida used, with sugar cane molasses,
  • the bagasse of sugarcane is crushed fresh bagasse, the particles of which have a diameter of from about 0.1 to about 5 mm, and preferably included from about 0.54 mm to about 3 mm. /
  • the particles used are small in order to have the largest specific surface area possible.
  • the powder (bagasse) will be very compact, which may lead to problems of diffusion of gases (oxygen and ethanol) and vinasse, through the support.
  • An advantageous process according to the present invention is characterized in that the sugarcane molasses used in the step of preparing the inoculum is supplemented with nitrogen, and in particular with ammonium sulphate and ammonium phosphate. The use of these two nitrogen salts makes it possible to increase the quantity of yeast produced. Indeed, when supplements are not used, the molasses are not rich enough and yeast growth is less.
  • the inoculum is produced from sugar cane molasses, which is a by-product of sugar extraction.
  • the culture medium used is, for example, a glucose solution and a yeast extract, which are more expensive ingredients.
  • the present invention also relates to a method as defined above, characterized in that the yeast strain is incubated in the presence of about 22 to about 82 gL -1 , especially about 42 to about 62 gL -1 , and preferably about 52 gL "1, molasses, from about 3 to about 8 gL", especially about 4 to about 7 gL ", and preferably about 5.5 gL" 1, ammonium sulfate, and from about 0.5 to about 2 gL "1, and preferably about 1.2 gL" 1, ammonium phosphate.
  • the composition of the medium for the inoculum is as follows (for one liter): 52 g of molasses (1: 17 dilution); 5.45 g of ammonium sulphate and 1.22 g of ammonium phosphate.
  • This adaptation of the preparation medium of the inoculum makes it possible to produce an equally active inoculum, that is to say that the latency phase is short and that, consequently, the growth of the yeast starts very quickly on the bagasse and slightly more dense (at least 1.75 x 10 8 cells / ml) than when using glucose and yeast extract for the preparation of this medium.
  • the process of the invention is characterized in that the step of incubating the yeast strain with the sugarcane molasses is carried out at a temperature of about 25 to about 35 ° C. , and preferably equal to about 30 ° C., for a period ranging from about 15 hours to about 22 hours, and preferably for a period of about 18 hours.
  • the present invention also relates to a process as defined above, characterized in that the distillery vinasse is previously enriched in nitrogen salts and in magnesium salts, said vinasse preferably being enriched beforehand with ammonium sulphate at about 73 ⁇ l -1 , ammonium phosphate at about 22 ⁇ l -1 and magnesium sulphate at about 7 ⁇ l -1 .
  • ammonium sulphate, magnesium sulphate and ammonium phosphate-enriched vinasse allows for greater growth of the yeast, which results in an increase in the ethanol vapor removal capacity.
  • An advantageous process according to the present invention is characterized in that the yeast strain is added to water in order to obtain a moisture content of about 60 to about 75%, and preferably about 65% relative to total weight of wet bagasse.
  • the reactor is fed with ethanol at about 100 gh ⁇ .m "reactor 3 to about 200 gh ⁇ .m” 3 of reactor, and preferably in the range of about 150 to about 200 gm- 1 m -3 reactor.
  • One of the peculiarities of the process of the invention rests on the fact that it is important not to exceed an ethanol concentration of 10 gm- 3 in the gas stream, preferably the concentration of ethanol is between 6 and 8 gm. "3 of air. This range of concentration of ethanol in the air supplying the reactor must limit the phenomena of inhibition of yeast metabolism and the production of volatile intermediate metabolites that can be toxic (acetaldehyde).
  • the present invention also relates to a process as defined above, characterized in that the step of feeding the ethanol reactor is carried out continuously, in particular for about 7 days at room temperature.
  • the reactor in the process according to the present invention, can be fed with ethanol in downward flow and / or in ascending flow.
  • the reactor is fed with ethanol in downflow.
  • the following problem can be encountered: a strong condensation of the water vapor near the reactor outlet (upper part), which leads to a loss of charge and promotes the microbial contamination.
  • condensation problems in the upper part of the reactor disappear because the water that could have accumulated at the base of the reactor is removed naturally by gravity.
  • the present invention also relates to a process as defined above, characterized in that the upper part of the reactor is sprayed with a solution of vinasse as defined above, previously enriched in nitrogen salts and in magnesium salts, as defined previously.
  • the upper part of the reactor is sprayed with excess vinasse which is drained into a cone located at the base of the reactor, by a pump activated for 5 minutes every hour.
  • This recirculating liquid corresponds to the vinasse initially added to the bagasse.
  • the recirculation pump used has a flow rate of 0.1 to 0.4 ml / minute, and preferably equal to
  • the humidifying tower of the air supplying the reactor is replaced by a direct humidification of the medium by discontinuous spraying from the top of the reactor.
  • This has the effect of reducing drying phenomena (more efficient humidification) and controlling the rise in temperature thanks to the energy consumed during the evaporation of this water.
  • it is a much more economical method than pre-humidification of the air.
  • recirculating liquid phase humidification coupled with the use of supplemented vinasse, as described above, allows for greater growth of the yeast and increased ethanol removal capacity.
  • the present invention also relates to a process as defined above, characterized in that water is added punctually during the process, in particular in an amount of from 50 ml to 200 ml per liter of reactor per day; which corresponds to a quantity of 1 to 2 liters for a volume of culture medium of about 16 liters.
  • the process of the invention is characterized in that it comprises an additional final step of drying with dry air the final product corresponding to the bagasse enriched with yeast proteins and recovering the product thus dried, in order to facilitate its stability,. its conservation and its possible transport.
  • An advantageous process is a process as defined above, characterized in that the bagasse enriched in yeast proteins has a protein content of about 5 to about 17%, and preferably about 17% by weight total bagasse dry.
  • the present invention also relates to a product as obtained according to the process as defined above.
  • the process of the present invention may especially be used in particular in the environmental field, to allow, on the one hand, the reduction of the pollution of watercourses where is discharged mineral-rich vinasse and acid pH (from order of 4) (Delbecq D, Sugar, a bitter sweetness for the environment, Libération, 22
  • the method of the present invention can also be used in the food field since the finished product is a feed for livestock (ruminants) rich in fiber and enriched in protein. It is particularly interesting in countries with a protein deficit of animal feed (Cuba, India) and / or producers of sugar cane (Brazil, India, Cuba, Mexico, etc ). EXPERIMENTAL PART
  • the present invention results from experiments consisting in testing the capacities of several strains of Candida yeast used for: eliminate ethanol (emitted by alcohol distilleries, breweries or industrial bakeries) and transform it into CO 2 and H 2 O (total oxidation) through a biofiltration process,
  • the EC (removal capacity) of the average ethanol observed is 120 g / hm 3 of ethanol (12-day period) and at the 16 th day, the biomass produced is of the order of 129 g / kg of bagasse.
  • the EC of ethanol vapors is calculated according to the equation with CE: elimination capacity (g / hm 3 )
  • Ce and Cs concceentration of ethanol at the inlet and outlet of the reactor (g / m 3 )
  • the direction of the supply of air + ethanol has been reversed (downward flow).
  • the condensation problems in the upper part of the reactor have disappeared, and at the base of the reactor, the liquid phase (water and / or vinasse) which could have accumulated is eliminated naturally by gravity.
  • the humidifying tower of the air supplying the reactor is replaced by a direct humidification of the medium by discontinuous spraying from the top of the reactor.
  • This has the effect of reducing drying phenomena (more efficient humidification) and controlling the rise in temperature thanks to the energy consumed during the evaporation of this water.
  • it is a method of humidification of the environment much more economical than the humidification of the air which requires a tower of a volume equivalent to that of the reactor.
  • a larger aeration flow was used without modifying the charge (which implies reducing the concentration of ethanol at the inlet to values of the order of 8 g / m 3 ).
  • This relatively lower concentration of ethanol in the air fed to the reactor must limit the phenomena of inhibition of yeast metabolism and the production of volatile intermediate metabolites that can be toxic (acetaldehyde).
  • This embodiment thus makes it possible to avoid a large longitudinal heterogeneity of the biomass concentration in the reactor, with growth of the much larger yeast in the ethanol input module "(356 g / kg bagasse) only in the output module (76 g / kg of bagasse), which results in a partial operation of the reactor in terms of EC, with more than 85% of the ethanol removed in the input module and only 2% in the output module (observed during the third test of this pilot reactor).
  • the average EC of the system is 161 g / hm 3 .
  • the reactor is fed alternately air + ethanol: every other day from the top and every other day from below.
  • this embodiment makes it possible to further improve the homogeneity of the growth in the reactor.
  • yeast With the exception of yeast, they can all be considered to various degrees as examples of by-products of the agri-food industry: distilleries (vinasses and vapors of ethanol), sugar refineries (cane bagasse).
  • Cane molasses can be used as a culture medium for the production of the starting inoculum.
  • the yeast employed may be Candida utilis.
  • Final product
  • Cane bagasse enriched with yeast protein for feeding cattle (minimum content: 8% protein)
  • the air is fed through a pump and the flow of air is regulated by a flowmeter equipped with a needle valve. It is the same for air that will bubble in a container containing ethanol (liquid). The adjustment of this flow makes it possible to fix precisely the ethanol concentration in the air entering the reactor.
  • Each module is equipped with a support sample collection port
  • Each module is also equipped with air sampling ports (inlet and outlet) to determine the concentrations of ethanol, CO 2 and potential volatile metabolites (acetaldehyde and ethyl acetate) in the air. This makes it possible to follow the behavior of the reactor and at the end of the experiment to make a carbon balance. Operation.
  • the air + ethanol mixture is fed to the reactor continuously either in one direction (up or down) or alternately. Periodically, the top of the reactor is sprayed with water and sometimes (in the case where a decrease in the ethanol removal efficiency is observed), a solution of vinasse diluted and supplemented with N and P can be added. Yeast consumes ethanol and transforms it into biomass - as long as there is no limitation of one of the nutrients - and into CO 2 . The process requires neither temperature regulation nor pH regulation. When growth is complete (after about a week), dry air is passed into the reactor to dry the product and improve its shelf life.
  • yeast produces acids (in particular acetic acid) which lower the pH of the medium to values of 2.5 to 3, which greatly limits the contamination of the medium by other micro-organisms.
  • -organisms bacteria in particular.
  • the culture medium has the following composition: dry bagasse (1 kg), vinasse (1.04 L), mineral solution 1 (490 ml), mineral solution 2 (49.2 ml), inoculum (622 ml).
  • the mineral solution 1 has the following composition (for 1 L): 155 g of (NH4) 2 SO 4 and 46.78 g of (NEU) 2 HPO 4 .
  • the mineral solution 2 has the following composition (per 100 ml): 14.88 g of MgSO 4
  • the bagasse is washed, dried and sieved (particle diameter between 0.54 and 3 mm) and sterilized for 1 hour at 121 ° C. It is then mixed non-sterile salts, vinasse and inoculum and introduced into the reactor.
  • the reactor is then supplied with ethanol (downward flow) with a load of about 200 g / hm 3 for 10 days and 150 g / li.m 3 the next 6 days.
  • the flow of air supplied varied from 480 to 1,200 L / h and the concentration of ethanol in the air varied from 2 to 9 g / m 3 .
  • the removal efficiency (EE) was 100% for the first 6 days and then fell to 60% in the 7 th day.
  • 1 L of mineral solution containing 59.3 g of (NILQ 2 SO 4 , 17.9 g of (NH 4 ) 2 HPO 4 and 5.66 g of MgSO 4 was added .
  • an elimination capacity (EC) was obtained ranging from 130 to 220 g / hm 3 .
  • the maximum biomass was reached after 8 days with the following protein levels: 13.7; 5.8 and 5.1 g per 100 g of dry bagasse in the inlet, middle and outlet modules, respectively, for an average of 8.2 g per 100 g of dry bagasse in the whole reactor.
  • the final pH is 2.6; 2.5 and 2.3 in the input, middle and output modules, respectively.
  • the yeast strain (an ose) is introduced into an Erlenmeyer flask containing molasses (52 g / l) and supplemented with ammonium sulphate (5.45 g / l) and ammonium phosphate (1.22 g / l) .
  • the container is then placed on an orbital shaking incubator (200 rpm) at 30 ° C. Inoculation rate: 1.78 x 10 6 yeasts / bagasse g).

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Abstract

La présente invention concerne l'utilisation de mélasse de canne à sucre et de vinasse de distillerie, pour la mise en œuvre d'un procédé d'enrichissement de résidu lignocellulosique, notamment de bagasse ou de paille, en protéines de levure. La présente invention concerne également ledit procédé d'enrichissement de résidu lignocellulosique, ainsi que le produit tel qu'obtenu.

Description

PROCÉDÉ D'ENRICHISSEMENT DE RÉSIDUS LIGNOCELLULOSIQUES EN PROTÉINES DE LEVURE
La présente invention a pour objet un procédé d'enrichissement d'un résidu lignocellulosique, par exemple de bagasse de canne à sucre, en protéines de levure, comprenant notamment l'utilisation de mélasse de canne à sucre et de vinasse de distillerie. Elle a également pour objet la bagasse enrichie telle qu'obtenue.
Certains rejets des raffineries de sucre et des distilleries d'alcool sont nocifs pour l'environnement. En effet, l'industrie sucrière produit deux tonnes de bagasse de canne à sucre, qui est un résidu solide lignocellulosique fibreux issu du broyage de la plante, par tonne de sucre raffiné, ce qui représente à Cuba 10 à 20 millions de tonnes de bagasse par an. Un autre sous-produit polluant est la mélasse de canne à sucre qui est un résidu liquide très riche en sucres et en certains sels minéraux. De plus, les distilleries d'alcool, souvent associées à la production de sucre de canne, émettent de grandes quantités de composés volatils plus ou moins nocifs pour l'environnement (principalement Péthanol). Les distilleries d'alcool rejettent également dans l'environnement des vinasses très polluantes, mais riches en sels minéraux. Ainsi, toujours à Cuba, on estime que 1 600 tonnes d'éthanol, un composé dont l'émission est soumise à contrôle, sont rejetées chaque année dans l'atmosphère.
Récemment, en réponse à une législation de plus en plus stricte, de nombreuses recherches ont été entreprises pour mettre au point des procédés biologiques de dépollution des effluents gazeux, simples, peu coûteux, et particulièrement bien adaptés au traitement de grandes quantités d'air faiblement contaminé (par exemple la biofiltration).
Les procédés antérieurs de biofiltration de l'éthanol a partir de bagasse de canne à sucre comprennent l'utilisation d'un milieu minéral coûteux (33 % du coût total du procédé), le milieu minéral de Thomas et Dawson (voir composition dans l'article Christen P, Domenech F, Michelena G, Auria R, Revah S (2002) Biofiltration of volatile ethanol using sugar cane bagasse inoculated with Candida utilis. Journal of
Hazardous Materials, 89(2/3):253-265).
La présente invention a pour but de fournir un procédé permettant, d'une part, de valoriser la bagasse de canne à sucre, et, d'autre part, de limiter les importantes émissions dans l'atmosphère d'éthanol. La présente invention a pour but de fournir un tel procédé correspondant à une méthode de traitement biologique efficace et peu coûteuse, qui trouve des applications à l'échelle industrielle, notamment dans les pays tropicaux producteurs de sucre de canne et/ou d'alcool. La présente invention a pour but de fournir un procédé où la levure croît directement sur un support lignocellulosique (bagasse par exemple) pour produire un aliment pour le bétail. Elle n'a donc pas besoin d'être cultivée en milieu liquide dans un premier temps, séparée de ce milieu (centrifugation ou filtration), avant d'être mélangée à la bagasse. La présente invention concerne l'utilisation de mélasse de canne à sucre et de vinasse de distillerie, pour la mise en œuvre d'un procédé d'enrichissement de résidu lignocellulosique, notamment bagasse ou de paille, en protéines de levure.
L'expression "mélasse de canne à sucre" désigne un résidu liquide très riche en sucres et en certains sels minéraux (Biart, Serrano et Conde, 1982, Ed. ICIDCA, La Havane, Cuba, "Estudio de las mieles de la cana de azύcar").
Dans le cadre de la présente invention, la mélasse de canne à sucre est utilisée comme milieu de culture pour préparer de l'inoculum actif à partir d'une souche de levure fourragère.
La vinasse de distillerie est telle que décrite dans l'article de Obaya, Valdes et Ramos (1994, Acta Biotechnol, 14(2), 193-198) ou dans la référence "Manual de los derivados de la Cana de Azucar", 3ra ediciόn, Ciudad Habana, ICIDCA, 2000, chapitre 6.1, Editeur : Luis GaI vez Taupier.
La vinasse de distillerie est un effluent polluant acide, riche en sels minéraux couramment rejeté dans les cours d'eau. Dans le cadre de la présente invention, la vinasse est utilisée comme source de sels minéraux.
Le résidu lignocellulosique est un résidu solide, issu du broyage de plantes. Comme exemple de résidu lignocellulosique, on peut citer la paille, qui désigne de manière générale une tige coupée de certaines plantes, le foin, la sciure ou les cossettes de betterave à sucre. La bagasse est telle que décrite dans la référence : "Manual de los derivados de la
Cana de Azucar", 3ra ediciόn, Ciudad Habana, ICIDCA, 2000, chapitre 2.2, Editeur : Luis Galvez Taupier.
Dans le cadre de la présente invention, la bagasse, qui est un sous-produit de l'industrie sucrière, est utilisée comme support solide pour le procédé. Le procédé d'enrichissement permet d'obtenir de la bagasse enrichie en protéines de levure et contenant notamment au moins environ 8% de protéines par rapport au poids sec total de la bagasse.
Selon un mode de réalisation avantageux, l'utilisation selon l'invention est caractérisée en ce que le procédé d'enrichissement de bagasse en protéines de levure comprend une étape de préparation d'un inoculum actif par incubation d'au moins une souche de levure fourragère, notamment Candïda utilis avec de la mélasse de canne à sucre.
Par "souche de levure fourragère", on désigne une levure riche en protéines à haute valeur nutritionnelle, telle que décrite dans la référence "Manual de los derivados de la Cana de Azucar", 3ra ediciόn, Ciudad Habana, ICIDCA5 2000, chapitre 4.8,
Editeur : Luis Galvez Taupier. Parmi les micro-organismes "fourragers", on peut également citer certains champignons filamenteux (ou microscopiques) de type
Aspergillus, ou la levure Saccharomyces cerevisiae (levure de boulangerie). La présente invention concerne également l'utilisation telle que définie ci-dessus, caractérisée en ce que le procédé d'enrichissement de bagasse en protéines de levure comprend une étape de mise en culture de l'inoculum actif tel que défini ci-dessus, avec de la vinasse de distillerie sur de la bagasse de canne à sucre.
La présente invention concerne également un procédé d'enrichissement de résidu lignocellulosique, notamment de bagasse, en protéines de levure, comprenant les étapes suivantes :
- la préparation d'un inoculum actif par incubation d'au moins une souche de levure fourragère, notamment Candida utilis, avec de la mélasse de canne à sucre et
- l'ajout en continu au résidu lignocellulosique, notamment à la bagasse de canne à sucre, qui a été mis(e) en présence dudit inoculum actif avec de la vinasse de distillerie, d'éthanol, notamment gazeux, ou de vapeurs d'éthanol, comme source de carbone, permettant la consommation de l'éthanol par la levure susmentionnée et la production de résidu lignocellulosique, notamment de bagasse, enrichi(e) en protéines de levure. Selon un mode de réalisation préféré, la présente invention comprend l'utilisation d'une souche de Candida utilis, aussi appelée Torula utilis ("Manual de los derivados de la Cana de Azucar", 3ra ediciόn, Ciudad Habana, ICIDCA, 2000, chapitre 4.9, Editeur : Luis Galvez Taupier). Selon le procédé de l'invention, l'inoculum actif forme avec la vinasse de distillerie un mélange liquide, qui est ensuite mélangé à la bagasse qui sert de support solide.
Le procédé de l'invention est un procédé aérobie (qui nécessite la présence d'oxygène).
La présente invention concerne également un procédé d'enrichissement de bagasse en protéines de levure, comprenant les étapes suivantes :
- la préparation d'un inoculum actif par incubation d'au moins une souche de levure fourragère, notamment Candida utilis, avec de la mélasse de canne à sucre, — la mise en culture dudit inoculum actif avec de la vinasse de distillerie sur de la bagasse de canne à sucre et
- l'ajout en continu à la bagasse de canne à sucre, d'éthanol comme source de carbone, permettant la consommation de l'éthanol par la levure susmentionnée et la production de bagasse enrichie en protéines de levure. De préférence, l'éthanol ajouté en continu est en phase gazeuse. Ainsi, le procédé de l'invention permet d'éliminer l'éthanol d'une atmosphère polluée par celui-ci.
L'originalité du procédé de l'invention repose sur l'utilisation de bagasse de canne à sucre, qui est un sous-produit de l'industrie sucrière, de vinasse de distillerie qui est un effluent polluant, généralement rejeté dans un cours d'eau, riche en sels minéraux et de vapeurs d'éthanol issues des pertes par évaporation lors de la fermentation alcoolique, pour obtenir un aliment pour le bétail, enrichi en protéines.
En effet, la bagasse est parfois utilisée comme aliment pour le bétail, à condition d'être complétée en protéines qui peuvent être d'origine végétale (soja) ou microbienne (levures). Ainsi, le procédé de l'invention permet de produire une bagasse enrichie en protéines à partir d'un inoculum actif. En effet, le plus courant dans l'art antérieur est de produire la levure en milieu liquide, de la séparer du milieu par centrifugation et ensuite de la mélanger à la bagasse.
Pour ensemencer la bagasse, il faut avantageusement au moins 5 x 106 levures par gramme de bagasse sèche, notamment pour raccourcir le temps de latence et avoir une croissance rapide et éviter une possible contamination microbienne.
Pour fixer les idées, le taux de multiplication de l'inoculum actif sur la bagasse dans les conditions décrites précédemment est d'environ 100 en environ 7 jours.
Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé d'enrichissement de bagasse en protéines de levure de la présente invention comprend les étapes suivantes : — la préparation d'un inoculum actif par incubation d'au moins une souche de levure fourragère, notamment Candida utilis, avec de la mélasse de canne à sucre,
— le mélange de l' inoculum actif tel qu'obtenu à l'étape précédente avec de la vinasse de distillerie, - la mise en présence du mélange tel qu'obtenu à l'étape précédente sur de la bagasse de canne à sucre et
— l'ajout en continu à la bagasse de canne à sucre, d'éthanol comme source de carbone, permettant la consommation de Féthanol par la levure susmentionnée et la production de bagasse enrichie en protéines de levure. Cette étape de mélange des liquides (vinasse et inoculum actif) en présence d'un solide (bagasse) permet d'homogénéiser plus facilement les liquides et la bagasse.
Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé d'enrichissement de bagasse en protéines de levure de l'invention comprend les étapes suivantes :
— la préparation d'un inoculum actif par incubation d'au moins une souche de levure fourragère, notamment Candida utilis, avec de la mélasse de canne à sucre,
— le remplissage d'un réacteur avec de la bagasse de canne à sucre, de l'inoculum actif tel qu'obtenu à l'étape précédente et de la vinasse de distillerie et
— l'alimentation en continu dudit réacteur rempli selon l'étape précédente, avec des vapeurs d'éthanol, permettant la consommation desdites vapeurs d'éthanol par la levure susmentionnée et la production de bagasse enrichie en protéines de levure.
Selon un mode particulier de réalisation, la bagasse est placée dans des sacs en fibre synthétique, pouvant contenir entre 3 et 17 kilogrammes de bagasse humide (correspondant au milieu initial) d'un maillage suffisant pour laisser passer et diffuser les gaz et assez serré cependant pour contenir la bagasse et éviter qu'elle s'éparpille. Ceci permet de faciliter le maniement de la bagasse humide au moment de la placer dans le réacteur et également de faciliter le maniement du produit fini directement utilisable pour le bétail.
La présente invention concerne également un procédé d'enrichissement de bagasse en protéines de levure tel que défini ci-dessus, comprenant les étapes suivantes :
— la préparation d'un inoculum actif par incubation d'au moins une souche de levure fourragère, notamment Candida utilis, avec de la mélasse de canne à sucre, - le remplissage d'un réacteur avec de la bagasse de canne à sucre et de l'inoculum actif tel qu'obtenu à l'étape précédente, mis en culture avec de la vinasse de distillerie, et
- l'alimentation en continu dudit réacteur rempli selon l'étape précédente, avec des vapeurs d'éthanol, permettant la consommation desdites vapeurs d'éthanol par la levure susmentionnée et la production de bagasse enrichie en protéines de levure.
La présente invention concerne également un procédé d'enrichissement de bagasse en protéines de levure tel que défini ci-dessus, comprenant les étapes suivantes : - la préparation d'un inoculum actif par incubation d'au moins une souche de levure fourragère, notamment Candida utilis, avec de la mélasse de canne à sucre,
- le mélange de l'inoculum actif tel qu'obtenu à l'étape précédente avec de la vinasse de distillerie,
- le remplissage d'un réacteur avec le mélange tel qu'obtenu à l'étape précédente et de la bagasse de canne à sucre, et
- l'alimentation en continu dudit réacteur rempli selon l'étape précédente, avec des vapeurs d'éthanol, permettant la consommation desdites vapeurs d'éthanol par la levure susmentionnée et la production de bagasse enrichie en protéines de levure.
Dans le procédé de l'invention, il n'est pas nécessaire de réguler le pH du milieu. Au contraire, l'acidification observée (jusqu'à un pH de 2,5) permet de limiter la contamination bactérienne.
Il n'est pas non plus nécessaire de réguler la température. En effet, une partie de l'excès de chaleur métabolique est éliminée grâce à la recirculation du milieu liquide, celle-ci ayant pour but premier d'éviter le séchage du milieu. Une autre partie de la chaleur métabolique est éliminée avec le courant gazeux alimentant le réacteur.
Selon un mode de réalisation avantageux, dans le procédé de l'invention, la bagasse de canne à sucre est de la bagasse fraîche broyée, dont les particules ont un diamètre compris d'environ 0,1 à environ 5 mm, et de préférence compris d'environ 0,54 mm à environ 3 mm. / Les particules utilisées sont petites afin de disposer d'une aire volumique spécifique la plus grande possible. Cependant, si on travaille avec des particules encore plus petites, la poudre (bagasse) sera très compacte, ce qui risque d'entraîner des problèmes de diffusion des gaz (oxygène et éthanol) et de la vinasse, à travers le support. Un procédé avantageux selon la présente invention est caractérisé en ce que la mélasse de canne à sucre utilisée dans l'étape de préparation de l'inoculum est complétée en azote, et notamment par du sulfate d'ammonium et du phosphate d'ammonium. L'utilisation de ces deux sels d'azote permet d'augmenter la quantité de levure produite. En effet, lorsqu'on n'utilise pas de compléments, la mélasse n'est pas assez riche et la croissance de la levure est moindre.
Selon la présente invention, l'inoculum est produit à partir de mélasse de canne à sucre, qui est un sous-produit de l'extraction du sucre. Or, dans les procédés antérieurs déjà connus, le milieu de culture utilisé est, par exemple, une solution de glucose et un extrait de levure, qui sont des ingrédients plus coûteux.
La présente invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce que la souche de levure est incubée en présence d'environ 22 à environ 82 g.L"1, notamment d'environ 42 à environ 62 g.L"1, et de préférence environ 52 g.L"1, de mélasse, d'environ 3 à environ 8 g.L" , notamment d'environ 4 à environ 7 g.L" , et de préférence environ 5,5 g.L"1, de sulfate d'ammonium, et d'environ 0,5 à environ 2 g.L"1, et de préférence environ 1,2 g.L"1, de phosphate d'ammonium.
Selon un mode de réalisation avantageux, la composition du milieu pour l'inoculum est la suivante (pour un litre) : 52 g de mélasse (dilution 1 :17) ; 5,45 g de sulfate d'ammonium et 1,22 g de phosphate d'ammonium. Cette adaptation du milieu de préparation de l'inoculum permet de produire un inoculum tout aussi actif, c'est-à- dire que la phase de latence est courte et que, par conséquent, la croissance de la levure commence très vite sur la bagasse, et légèrement plus dense (au moins 1,75 x 108 cellules/ml) que lorsqu'on utilise du glucose et de l'extrait de levure pour la préparation de ce milieu.
Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé de l'invention est caractérisé en ce que l'étape d'incubation de la souche de levure avec la mélasse de canne à sucre est effectuée à une température d'environ 25 à environ 35°C, et de préférence égale à environ 3O0C, pendant une durée variant d'environ 15 heures à environ 22 heures, et de préférence pendant une durée d'environ 18 heures.
La présente invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce que la vinasse de distillerie est préalablement enrichie en sels d'azote et en sels de magnésium, ladite vinasse étant de préférence préalablement enrichie en sulfate d'ammonium à raison d'environ 73 g.L"1, en phosphate d'ammonium à raison d'environ 22 g.L"1 et en sulfate de magnésium à raison d'environ 7 g.L"1.
Le fait d'utiliser la vinasse enrichie en sulfate d'ammonium, en sulfate de magnésium et en phosphate d'ammonium permet une croissance plus importante de la levure, ce qui entraîne une augmentation de la capacité d'élimination des vapeurs d'éthanol.
Un procédé avantageux selon la présente invention est caractérisé en ce que la souche de levure est additionnée en eau, afin d'obtenir un taux d'humidité d'environ 60 à environ 75%, et de préférence d'environ 65% par rapport au poids total de la bagasse humide.
- Cette quantité d'eau permet de saturer la bagasse en eau, ce qui favorise la croissance de la levure.
Selon un mode de réalisation avantageux, dans le procédé de la présente invention, le réacteur est alimenté par l'éthanol à raison d'environ 100 g.h^.m"3 de réacteur à environ 200 g.h^.m"3 de réacteur, et de préférence à raison d'environ 150 à environ 200 g.h"1.m"3 de réacteur.
Une des particularités du procédé de l'invention repose sur le fait qu'il est important de ne pas dépasser une concentration en éthanol de 10 g.m"3 dans le courant gazeux. De préférence, la concentration en éthanol est comprise de 6 à 8 g.m"3 d'air. Cette gamme de concentration en éthanol dans l'air alimentant le réacteur doit limiter les phénomènes d'inhibition du métabolisme de la levure et la production de métabolites volatils intermédiaires pouvant être toxiques (acétaldéhyde).
La présente invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce que l'étape d'alimentation du réacteur en éthanol est effectuée en continu notamment pendant environ 7 jours à température ambiante.
Selon un mode de réalisation avantageux, dans le procédé selon la présente invention, le réacteur peut être alimenté en éthanol en flux descendant et/ou en flux ascendant.
De façon avantageuse, le réacteur est alimenté en éthanol en flux descendant. En effet, lorsqu'on alimente le réacteur en flux ascendant, on peut rencontrer le problème suivant : une forte condensation de la vapeur d'eau près de la sortie du réacteur (partie supérieure), ce qui entraîne une perte de charge et favorise la contamination microbienne. Lorsqu'on alimente le réacteur en flux descendant, les problèmes de condensation dans la partie haute du réacteur disparaissent car l'eau qui aurait pu s'accumuler à la base du réacteur est éliminée naturellement par gravité.
Il est également possible d'utiliser en alternance le flux descendant et le flux ascendant, ce qui permet d'homogénéiser la croissance de la levure sur toute la hauteur du réacteur.
La présente invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce que la partie supérieure du réacteur est aspergée par une solution de vinasse telle que définie ci-dessus, préalablement enrichie en sels d'azote et en sels de magnésium, tels que définis précédemment.
Selon un mode de réalisation avantageux, la partie supérieure du réacteur est aspergée par la vinasse en excès qui est drainée dans un cône situé à la base du réacteur, par une pompe activée pendant 5 minutes toutes les heures. Ce liquide qui recircule correspond à la vinasse initialement ajoutée à la bagasse. La pompe de recirculation utilisée a un débit compris de 0,1 à 0,4 ml/minute, et de préférence égal à
0,25 ml/minute.
Selon un mode de réalisation avantageux, pour remédier aux problèmes d'élévation de la température et du subséquent séchage, dans le système d'humidification du milieu, la tour d'humidification de l'air alimentant le réacteur est remplacée par une humidification directe du milieu par aspersion discontinue par le haut du réacteur. Ceci a pour effet de diminuer les phénomènes de séchage (humidification plus efficace) et de contrôler l'élévation de la température grâce à l'énergie consommée lors de l'évaporation de cette eau. De plus, il s'agit d'une méthode beaucoup plus économique que l'humidification préalable de l'air. Ainsi, l'humidification par recirculation de la phase liquide, associée à l'utilisation de vinasse complémentée, .comme décrit ci-dessus, permet une croissance plus importante de la levure et une augmentation de la capacité d'élimination de l'éthanol.
La présente invention concerne également un procédé tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce que de l'eau est rajoutée ponctuellement au cours du procédé, notamment en une quantité comprise de 50 mL à 200 mL par litre de réacteur et par jour, ce qui correspond à une quantité comprise de 1 à 2 litres pour un volume de milieu de culture d'environ 16 litres. Selon un mode de réalisation préféré, le procédé de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une étape finale supplémentaire consistant à sécher avec de l'air sec le produit final correspondant à la bagasse enrichie en protéines de levure et à récupérer le produit ainsi séché, ceci afin de faciliter sa stabilité, . sa conservation et son éventuel transport.
Un procédé avantageux est un procédé tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce que la bagasse enrichie en protéines de levure présente un taux en protéines d'environ 5 à environ 17%, et de préférence d'environ 17% par rapport au poids total de bagasse sèche. La présente invention concerne également un produit tel qu'obtenu selon le procédé tel que défini ci-dessus.
Le procédé de la présente invention peut notamment être utilisé notamment dans le domaine environnemental, pour permettre, d'une part, la réduction de la pollution des cours d'eaux où est déversée la vinasse riche en sels minéraux et au pH acide (de l'ordre de 4)(Delbecq D, Le sucre, une douceur amère pour l'environnement, Libération, 22
Novembre 2004), et, d'autre part, pour permettre la réduction de la pollution atmosphérique par les vapeurs d'éthanol issues des cuves de distillation (cette molécule volatile quoique considérée comme peu toxique fait cependant l'objet d'une législation en Europe : un individu ne doit pas être exposé pendant plus de 8 h à une concentration de 1000 ppm dans l'air (Cioci F, Lavecchia R, Ferranti MM (1997) High-performance microbial removal of ethanol from contaminated air. Biotech. Techniques, 11:893- 898)).
Le procédé de la présente invention peut également être utilisé dans le domaine alimentaire étant donné que le produit fini constitue un aliment pour le bétail (ruminants) riche en fibre et enrichi en protéines. Il est particulièrement intéressant dans des pays ayant un déficit en protéines de l'alimentation animale (Cuba, Inde) et/ou producteurs de canne à sucre (Brésil, Inde, Cuba, Mexique, etc...). PARTIE EXPÉRIMENTALE
La présente invention résulte d'expériences consistant à tester les capacités de plusieurs souches de la levure Candida utilis pour : . éliminer l'éthanol (émis par les distilleries d'alcool, brasseries ou les boulangeries industrielles) et le transformer en CO2 et H2O (oxydation totale) grâce à un procédé de biofiltration,
. et/ou utiliser cet éthanol afin de produire de la biomasse (protéines unicellulaires) pour l'alimentation animale.
Les expériences effectuées dans le cadre de la présente invention ont été effectuées à l'échelle pilote. Plus exactement, elles ont été effectuées avec un réacteur pilote de 20 litres.
Lors des premiers essais, la CE (capacité d'élimination) de l'éthanol moyenne observée est de 120 g/h.m3 d' éthanol (période de 12 jours) et au 16eme jour, la biomasse produite est de l'ordre de 129 g/ kg de bagasse. La CE des vapeurs d'éthanol est calculée selon l'équation
Figure imgf000012_0001
avec CE : capacité d'élimination (g/h.m3)
Ce et Cs : con cceentration d'éthanol en entrée et sortie du réacteur (g/m3)
F : aération (m3/h) V : volume du réacteur (m3)
Selon un mode de réalisation préféré, le sens de l'alimentation en air+éthanol a été inversé (flux descendant). Les problèmes de condensation dans la partie haute du réacteur ont disparu, et à la base du réacteur, la phase liquide (eau et/ou vinasse) qui aurait pu s'accumuler est éliminée naturellement par gravité.
Selon un autre mode de réalisation préféré, la tour d'humidification de l'air alimentant le réacteur est remplacée par une humidification directe du milieu par aspersion discontinue par le haut du réacteur. Ceci a pour effet de diminuer les phénomènes de séchage (humidification plus efficace) et de contrôler l'élévation de la température grâce à l'énergie consommée lors de l'évaporation de cette eau. De plus, c'est une méthode d'humidification du milieu beaucoup plus économique que l'humidification de l'air qui nécessite une tour d'un volume équivalent à celui du réacteur.
Par ailleurs, étant donné le coût du milieu minéral de Thomas et Dawson (Christen P, Domenech F, Michelena G, Auria R, Revah S (2002) Biofiltration of volatile ethanol using sugar cane bagasse inoculated with Candida utilis. Journal of
Hazardous Materials, 89(2/3):253-265), ce milieu minéral a été remplacé par de la vinasse de distillerie produite lors de la fermentation alcoolique utilisant la mélasse de canne à sucre comme substrat. La vinasse est un effluent acide et riche en sels minéraux couramment rejeté dans les cours d'eaux, polluant ceux-ci. Celle ci est utilisée à une proportion de 1,04 L par kg de bagasse et dûment complétée par des sources bon marché d'azote (sulfate d'ammonium, 73 g/1 et phosphate d'ammonium, 22 g/1) et de magnésium (sulfate de magnésium, 7 g/1).
Ces deux modifications (humidification par recirculation de la phase liquide et utilisation de la vinasse complémentée) ont permis une croissance plus importante de la levure dans le module d'entrée (356 g/kg de bagasse), ainsi qu'une augmentation de la
CE de l'éthanol (élimination de 99,8% d'une charge de 186 g/h.m3).
Selon un mode de réalisation préféré, on a utilisé un flux d'aération plus important sans modifier la charge (ce qui implique de diminuer la concentration d'éthanol en entrée à des valeurs de l'ordre de 8 g/m3). Cette concentration relativement plus faible en éthanol dans l'air alimentant le réacteur doit limiter les phénomènes d'inhibition du métabolisme de la levure et la production de métabolites volatils intermédiaires pouvant être toxiques (acétaldéhyde). Ce mode de réalisation permet ainsi d'éviter une grande hétérogénéité longitudinale de la concentration en biomasse dans le réacteur, avec une croissance de la levure beaucoup plus importante dans le module d'entrée de l'éthanol " (356 g/kg de bagasse) que dans le module de sortie (76 g/kg de bagasse), qui a pour conséquence un fonctionnement partiel du réacteur en termes de CE, avec plus de 85% de l'éthanol éliminé dans le module d'entrée et seulement 2% dans le module de sortie (observé lors du troisième essai de ce réacteur pilote).
L'augmentation du flux d'air a permis une meilleure répartition de la consommation de l'éthanol (57,5 % dans le module d'entrée, et 8,9% en sortie) et de la biomasse produite (208 et 81 g/kg de bagasse dans les modules d'entrée et de sortie respectivement). La CE moyenne du système est de 161 g/h.m3.
Selon un autre mode de réalisation préféré, le réacteur est alimenté de façon alternée en air+éthanol : un jour sur deux par le haut et un jour sur deux par le bas. Ainsi, ce mode de réalisation permet d'améliorer encore l'homogénéité de la croissance dans le réacteur.
Etant donné les grands volumes d'inoculum nécessaires pour ensemencer le milieu (0,57 1/kg de matière sèche), il a été décidé de produire l'inoculum à partir de mélasse de canne à sucre, sous-produit de l'extraction du sucre, au lieu de la solution de glucose et d'extrait de levure utilisée à l'échelle laboratoire, beaucoup plus coûteuse. La composition du milieu pour l'inoculum est la suivante (par litre) : mélasse, 52 g
(dilution 1 :17) ; sulfate d'ammonium, 5,45 g ; phosphate d'ammonium, 1,22 g. Ce changement a permis de produire un inoculum tout aussi actif et plus dense que le précédent (1,75 x 108 cellules/ml contre 1,53 x 108 cellules/ml), sur une durée identique
(22h) et à un coût moindre.
EXEMPLE
Etapes essentielles du procédé 1. préparation de la bagasse : on prend de la bagasse de préférence fraîche que l'on broie pour obtenir des particules inférieures à 20 mm ;
2. production de l'inoculum en milieu liquide à partir de la mélasse dûment complétée en sulfate d'ammonium et phosphate d'ammonium (incubation entre 15 et 20 h), pour obtenir de l'inoculum actif au bout de 14 heures (environ de 14 à 18 heures) ; 3. préparation du milieu de culture "solide" sur la bagasse en mélangeant l'inoculum actif, la vinasse préalablement enrichie en sels d'azote et de magnésium et la quantité d'eau nécessaire pour obtenir une humidité de 65% ;
4. remplissage du réacteur et alimentation en vapeurs d'éthanol par flux ascendant ou descendant ; et 5. recirculation périodique de la phase liquide (5 min chaque heure).
Produits de départ
A l'exception de la levure, ils peuvent tous être considérés à divers degrés comme des exemples de sous produits polluants de l'industrie agro-alimentaire : distilleries (vinasses et vapeurs d'éthanol), raffineries de sucre (bagasse de canne).
La mélasse de canne à sucre peut être utilisée comme milieu de culture pour la production de l'inoculum de départ.
La levure employée peut être Candida utilis. Produit final
Bagasse de canne enrichie en protéines de levure pour l'alimentation pour le bétail (teneur minimale : 8% de protéines)
5 Proportions de chaque constituant
Sur la base d'un kg de bagasse (sèche), on utilise :
Vinasse ^ 1,04 1
Sulfate d'ammonium 76 g
Phosphate d'ammonium 23 g
10 Sulfate de magnésium 7,3 g
Vapeurs d'éthanol la charge ne doit pas dépasser 200 g/h.m
Mélasse (pour la préparation de l'inoculum) 32,4 g
Description détaillée :
15 Un bio-réacteur de 20 litres, composé de 3 modules en plexiglas a été monté
(Aizpuru A., Dunat D., Christen P., Auria R., Garcia-Pena L, Revah S. (2005) Fungal biofiltration of toluène on ceramic rings. Journal of Environmental Engineering, 131: 396-402).
Volume utile du réacteur : 19,83 L ; composé de 3 modules (volume de chacun :
20 6,61 L ; diamètre : 18 cm ; hauteur : 26 cm)
L'air est alimenté grâce à une pompe et le flux d'air est régulé par un débitmètre équipé d'une valve à pointeau. Il en est de même pour l'air qui va buller dans un récipient contenant l'éthanol (liquide). L'ajustement de ce flux permet de fixer avec précision la concentration en éthanol dans l'air entrant dans le réacteur.
25 Chaque module est équipé d'un port de prélèvement d'échantillons du support
(bagasse) au milieu de chaque module afin de suivre l'évolution du pH, de l'humidité et de la croissance de la levure. Celle ci est déterminée par comptage des cellules au microscope et par la détermination de protéine totale par la méthode de Barnstein (Winton A.L. et Winton K.B., 1983, Metodos quimicos générales: Proteinas. Anâlisis
30. de los Alimentos. Editorial Pueblo y Educaciόn, La Havane, Cuba). Chaque module est également équipé de ports d'échantillonnage de l'air (entrée et sortie) afin de déterminer les concentrations d'éthanol, de CO2 et d'éventuels métabolites volatils (acétaldéhyde et acétate d'éthyle) dans l'air. Ceci permet de suivre le comportement du réacteur et à la fin de l'expérience de réaliser un bilan carbone. Fonctionnement.
Le mélange air+éthanol est alimenté au réacteur en continu soit dans un seul sens (ascendant ou descendant) soit de façon alternée. De façon périodique, on asperge le haut du réacteur avec de l'eau et parfois (dans le cas où l'on observe une diminution de l'efficacité d'élimination de l'éthanol), une solution de vinasse diluée et complémentée en N et P peut être ajoutée. La levure consomme l'éthanol et le transforme en biomasse - tant que n'apparaît pas une limitation de l'un des nutriments - et en CO2. Le procédé ne nécessite ni régulation de température, ni régulation de pH. Quand la croissance est terminée (au bout d'une semaine environ), on passe de l'air sec dans le réacteur afin de sécher le produit et améliorer son temps de conservation.
Un des avantages de ce procédé est que la levure produit des acides (en particulier l'acide acétique) qui abaissent le pH du milieu à des valeurs de 2,5 à 3, ce qui limite fortement la contamination du milieu par d'autres micro-organismes (bactéries en particulier).
Résultats
Plusieurs expériences ont été effectuées et les résultats obtenus sont les suivants :
Conditions opératoires
Humidité initiale de la bagasse 65 %
Taux d'inoculation 1,78 x 106 levures/g bagasse pH initial 6
Le milieu de culture a la composition suivante : bagasse sèche (1 kg), vinasse (1,04 L), solution minérale 1 (490 mL), solution minérale 2 (49,2 mL), inoculum (622 mL). La solution minérale 1 a la composition suivante (pour 1 L) : 155 g de (NH4)2SO4 et 46,78 g de (NEU)2HPO4.
La solution minérale 2 a la composition suivante (pour 100 mL) : 14,88 g de MgSO4
La bagasse est lavée, séchée et tamisée (diamètre de particules entre 0,54 et 3 mm) et stérilisée 1 heure à 121°C. Elle est ensuite mélangée de façon non stérile aux sels, vinasse et inoculum et introduite dans le réacteur.
Le réacteur est ensuite alimenté en éthanol (courant descendant) avec une charge d'environ 200 g/h.m3 pendant 10 jours puis de 150 g/li.m3 les 6 jours suivants. Pour cela, le flux d'air alimenté a varié de 480 à 1200 L/h et la concentration en éthanol dans l'air a varié de 2 à 9 g/m3.
L'efficacité d'élimination (EE) est de 100% pendant les 6 premiers jours puis a chuté jusqu'à 60% le 7ème jour. Afin de rétablir cette EE, on a rajouté 1 L de solution minérale contenant 59,3 g de (NILQ2SO4, 17,9 g de (NH4)2 HPO4 et 5,66 g de MgSO4.
On a également rajouté 1 L d'eau stérile par jour au réacteur afin de compenser l'eau perdue par évaporation et ainsi éviter le séchage du milieu.
Au long de l'expérience, on a obtenu une capacité d'élimination (CE) variant de 130 à 220 g/h.m3. La biomasse maximale a été atteinte au bout de 8 jours avec les teneurs en protéines suivantes : 13,7 ; 5,8 et 5,1 g pour 100 g de bagasse sèche, dans les modules d'entrée, du milieu et de sortie, respectivement, soit une teneur moyenne de 8,2 g pour 100 g de bagasse sèche dans l'ensemble du réacteur. Le pH final est de 2,6 ; 2,5 et 2,3 dans les modules d'entrée, du milieu et de sortie, respectivement.
Production de l 'inoculum :
La souche de levure (une ose) est introduite dans un Erlenmeyer contenant la mélasse (52 g/1) et complétée en sulfate d'ammonium (5,45 g/1) et phosphate d'ammonium (1,22 g/1). Le récipient est ensuite placé sur un incubateur à agitation orbitale (200 tpm) à 30°C. Taux d'inoculation : 1,78 x 106 levures/g bagasse).

Claims

REVENDICATIONS
1. Utilisation de mélasse de canne à sucre et de vinasse de distillerie, pour la mise en œuvre d'un procédé d'enrichissement de résidu lignocellulosique, notamment de bagasse ou de paille, en protéines de levure.
2. Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le procédé d'enrichissement de bagasse en protéines de levure comprend une étape de préparation d'un inoculum actif par incubation d'au moins une souche de levure fourragère, notamment Candida utilis avec de la mélasse de canne à sucre.
3. Utilisation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le procédé d'enrichissement de bagasse en protéines de levure comprend une étape de mise en culture de l'inoculum actif tel que défini dans la revendication 2, avec de la vinasse de distillerie sur de la bagasse de canne à sucre.
4. Procédé d'enrichissement de résidu lignocellulosique, notamment de bagasse en protéines de levure, comprenant les étapes suivantes :
- la préparation d'un inoculum actif par incubation d'au moins une souche de levure fourragère, notamment Candida utilis, avec de la mélasse de canne à sucre et
- l'ajout en continu au résidu lignocellulosique, qui a été mis en présence dudit inoculum actif avec de la vinasse de distillerie, d'éthanol, notamment gazeux, comme source de carbone, permettant la consommation de Péthanol par la levure susmentionnée et la production de résidu lignocellulosique enrichi en protéines de levure.
5. Procédé d'enrichissement de résidu lignocellulosique, notamment de bagasse en protéines de levure, comprenant les étapes suivantes :
— la préparation d'un inoculum actif par incubation d'au moins une souche de levure fourragère, notamment Candida utilis, avec de la mélasse de canne à sucre,
— la mise en culture dudit inoculum actif avec de la vinasse de distillerie sur le résidu lignocellulosique, notamment sur de la bagasse de canne à sucre et — P ajout en continu au résidu lignocellulosique, notamment à la bagasse de canne à sucre, d'éthanol comme source de carbone, permettant la consommation de l'éthanol par la levure susmentionnée et la production de résidu lignocellulosique enrichi en protéines de levure, notamment de bagasse enrichie en protéines de levure.
6. Procédé d'enrichissement de bagasse en protéines de levure selon la revendication 4, comprenant les étapes suivantes :
~ la préparation d'un inoculum actif par incubation d'au moins une souche de levure fourragère, notamment Candida utilis, avec de la mélasse de canne à sucre, - le mélange de l'inoculum actif tel qu'obtenu à l'étape précédente avec de la vinasse de distillerie,
- la mise en présence du mélange tel qu'obtenu à l'étape précédente sur de la bagasse de canne à sucre et
— l'ajout en continu à la bagasse de canne à sucre, d'éthanol, notamment gazeux, comme source de carbone, permettant la consommation de l'éthanol par la levure susmentionnée et la production de bagasse enrichie en protéines de levure.
7. Procédé d'enrichissement de bagasse en protéines de levure selon la revendication 4, comprenant les étapes suivantes : - la préparation d'un inoculum actif par incubation d'au moins une souche de levure fourragère, notamment Candida utilis, avec de la mélasse de canne à sucre,
— le remplissage d'un réacteur avec de la bagasse de canne à sucre, de l'inoculum actif tel qu'obtenu à l'étape précédente et de la vinasse de distillerie et
- l'alimentation en continu dudit réacteur rempli selon l'étape précédente, avec des vapeurs d'éthanol, permettant la consommation desdites vapeurs d'éthanol par la levure susmentionnée et la production de bagasse enrichie en protéines de levure.
8. Procédé d'enrichissement de bagasse en protéines de levure selon la revendication 7, comprenant les étapes suivantes : - la préparation d'un inoculum actif par incubation d'au moins une souche de levure fourragère, notamment Candida utilis, avec de la mélasse de canne à sucre,
- le remplissage d'un réacteur avec de la bagasse de canne à sucre et de l'inoculum actif tel qu'obtenu à l'étape précédente, mis en culture avec de la vinasse de distillerie, et - l'alimentation en continu dudit réacteur rempli selon l'étape précédente, avec des vapeurs d'éthanol, permettant la consommation desdites vapeurs d'éthanol par la levure susmentionnée et la production de bagasse enrichie en protéines de levure.
9. Procédé d'enrichissement de bagasse en protéines de levure selon la revendication 7, comprenant les étapes suivantes :
- la préparation d'un inoculum actif par incubation d'au moins une souche de levure fourragère, notamment Candida utilis, avec de la mélasse de canne à sucre,
- le mélange de l'inoculum actif tel qu'obtenu à l'étape précédente avec de la vinasse de distillerie,
- le remplissage d'un réacteur avec le mélange tel qu'obtenu à l'étape précédente et de la bagasse de canne à sucre, et
- l'alimentation en continu dudit réacteur rempli selon l'étape précédente, avec des vapeurs d'éthanol, permettant la consommation desdites vapeurs d'éthanol par la levure susmentionnée et la production de bagasse enrichie en protéines de levure.
10. Procédé selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que la bagasse de canne à sucre est de la bagasse fraîche broyée, dont les particules ont un diamètre compris d'environ 0,1 à environ 5 mm, et de préférence compris d'environ 0,54 mm à environ 3 mm.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que la mélasse de canne à sucre utilisée dans l'étape de préparation de l'inoculum est complétée en azote, et notamment par du sulfate d'ammonium et du phosphate d'ammonium.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 11, caractérisé en ce que la souche de levure est incubée en présence d'environ 22 à environ 82 g.L" , et de préférence environ 52 g.L"1, de mélasse, d'environ 3 à environ 8 g.L"1, et de préférence environ 5,5 g.L"1, de sulfate d'ammonium, et d'environ 0,5 à environ 2 g.L"1, et de préférence environ 1,2 g.L" , de phosphate d'ammonium.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisé en ce que l'étape d'incubation de la souche de levure avec la mélasse de canne à sucre est effectuée à une température d'environ 25 à environ 350C, et de préférence égale à environ 300C, pendant une durée variant d'environ 15 heures à environ 22 heures, et de préférence pendant une durée d'environ 18 heures.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 13, caractérisé en ce que la vinasse de distillerie est préalablement enrichie en sels d'azote, en sels de phosphore et en sels de magnésium, ladite vinasse étant de préférence préalablement enrichie en sulfate d'ammonium à raison d'environ 73 g.L"1, en phosphate d'ammonium à raison d'environ 22 g.L"1 et en sulfate de magnésium à raison d'environ 7 g.L"1.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 14, caractérisé en ce que la souche de levure est additionnée en eau, afin d'obtenir un taux d'humidité d'environ 60 à environ 75%, et de préférence d'environ 65% par rapport au poids total de la bagasse humide.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 15, caractérisé en ce que le réacteur est alimenté par l'éthanol à raison d'environ 100 g.h^.m"3 de réacteur à environ 200 g.h'\m"3 de réacteur, et de préférence à raison d'environ 150 à environ 200 g.hΛm"3 de réacteur.
- 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 16, caractérisé en ce que l'étape d'alimentation du réacteur en éthanol est effectuée en continu notamment pendant environ 7 jours à température ambiante.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 17, caractérisé en ce que le réacteur peut être alimenté en éthanol en flux descendant et/ou ou en flux ascendant.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 18, caractérisé en ce que la partie supérieure du réacteur est aspergée par une solution de vinasse complétée en azote et en phosphore, telle que définie dans la revendication 14.
20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 19, caractérisé en ce que de l'eau est rajoutée ponctuellement au cours du procédé, notamment en une quantité comprise de 50 mL à 200 mL par litre de réacteur et par jour.
21. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 20, caractérisé en ce qu'il comprend une étape finale supplémentaire consistant à sécher avec de l'air sec le produit final correspondant à la bagasse enrichie en protéines de levure et à récupérer le produit ainsi séché.
22. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 21, caractérisé en ce que la bagasse enrichie en protéines de levure présente un taux en protéines d'environ 5 à environ 17%, et de préférence d'environ 17% par rapport au poids total de bagasse sèche.
23. Produit tel qu'obtenu selon le procédé tel que défini dans l'une quelconque des revendications 4 à 22.
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