WO2022002623A2 - Procede de production d'alcools optimise par couplage fermentaire abe / ibe - Google Patents

Procede de production d'alcools optimise par couplage fermentaire abe / ibe Download PDF

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Sandra Menir
Helena GONZALEZ PENAS
Nicolas Lopes Ferreira
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Definitions

  • the present invention relates to an improved process for the production of alcohols, in particular butanol and isopropanol, integrating a double fermentation system, in particular a system comprising Clostridia strains of the ABE type followed by a system comprising Clostridia strains of the type. IBE.
  • the alcohols resulting from fermentation are the most promising substitutes for petrochemical derivatives.
  • ABE fermentation (Acetone - Butanol - Ethanol) is one of the oldest fermentations to have been industrialized (early 20th century) and has been widely studied since (cf. Moon et al. “One hundred years of clostridial butanol fermentation.” FEMS Microbiol Lett. 2016 Feb, 363, 3).
  • IBE fermentation Isopropanol - Butanol - Ethanol
  • IBE fermentation Isopropanol - Butanol - Ethanol
  • Wild strains which naturally transform sugars into solvents, are known to be stable, unlike genetically modified strains. However, wild strains can naturally undergo point mutations within their genetic material (i.e. within their DNA) which do not affect their fermentation performance. They can thus be cultivated in continuous mode for more than 1000 operating hours (cf. Gapes et al., “Long-Term Continuous Cultivation of Clostridium beijerinckii in a Two-Stage Chemostat with On-Line Solvent Removal”, Appl Environ Microbiol, Sept . 1996, Vol 62, No. 9, p. 3210-3219).
  • Clostridia strains are therefore naturally capable of producing isopropanol, in particular certain strains of Clostridium beijerinckii (or C. beijerinckii). The other strains produce an acetone / butanol / ethanol (A / B / E) mixture.
  • the Clostridia strains naturally producing the isopropanol-butanol-ethanol mixture exhibit inferior performance to the so-called ABE Clostridia strains, that is to say naturally producing the acetone-butanol-ethanol mixture, in terms of growth rate, solvent titre (Acetone / lsopropanol, n-butanol, Ethanol), and solvent productivity (per g of solvents / L of medium / hour)
  • solvent productivity per g of solvents / L of medium / hour
  • the present invention proposes to overcome the defects of Clostridia strains of IBE type, in particular wild Clostridia strains of IBE type, and in particular their poor performance in terms of productivity and solvent titre and in particular in alcohols.
  • the present invention is in fact aimed at an improved process for the production of alcohols offering improved productivity and titer. Summary of the invention
  • the present invention thus relates to a process for the production of alcohols comprising the following steps: a. an ABE fermentation step which implements an ABE reaction section comprising at least one ABE bioreactor containing an ABE strain microorganism, said ABE reaction section being fed at least with an SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars, to produce at least one ABei fermentation must, comprising at least acetone, butanol and ethanol; b. optionally an intermediate acetone extraction step, comprising an extraction section supplied at least with the fermentation must ABei obtained at the end of step a), to produce at least one acetone stream (A) and an aqueous stream of alcohols, comprising at least butanol and ethanol; vs.
  • an IBE fermentation step implementing an IBE reaction section comprising at least one IBE bioreactor containing an IBE strain microorganism, said IBE reaction section being fed by a FIBE feed stream comprising at least one SIBE aqueous solution of C5 sugars and / or C6 and a solvent stream which comprises at least acetone, said solvent stream being advantageously composed of (i) the fermentation must ABei resulting directly from step a), or (ii) of the acetone stream (A) obtained in step b) optionally when said method comprises said step b), the flow rates of the SIBE aqueous solution and of the solvent stream being adjusted so that the acetone concentration in the FIBE feed stream is less than or equal to 10 g / L, to produce at least one IBea fermentation must, comprising at least isopropanol, butanol and ethanol.
  • the process according to the invention does not include step b) of intermediate extraction of acetone.
  • the process for producing alcohols then includes the following steps: a. an ABE fermentation step which implements an ABE reaction section comprising at least one ABE bioreactor containing an ABE strain microorganism, said ABE reaction section being fed at least with an SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars, to produce at least one ABei fermentation must, comprising at least acetone, butanol and ethanol; vs.
  • an IBE fermentation step implementing an IBE reaction section comprising at least one IBE bioreactor containing an IBE strain microorganism, said section IBE reaction being fed by a FIBE feed stream comprising at least one SIBE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars and a solvent stream which comprises at least acetone, said solvent stream being composed at least of the fermentation must ABei resulting directly from step a), the flow rates of the aqueous solution SIBE and of the solvent flow being adjusted so that the acetone concentration in the feed flow F ! B E is less than or equal to 10 g / L, to produce at least one IBea fermentation must, comprising at least isopropanol, butanol and ethanol.
  • the process according to the invention does not include step b) of intermediate extraction of acetone.
  • the process for producing alcohols then includes the following steps: a. an ABE fermentation step which implements an ABE reaction section comprising at least one ABE bioreactor containing an ABE strain microorganism, said ABE reaction section being fed at least with an SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars, to produce at least one ABei fermentation must, comprising at least acetone, butanol and ethanol; b.
  • an intermediate acetone extraction step comprising an extraction section supplied at least with the fermentation must ABei obtained at the end of step a), to produce at least one acetone stream (A) and one aqueous stream of alcohols, comprising at least butanol and ethanol; vs.
  • an IBE fermentation step implementing an IBE reaction section comprising at least one IBE bioreactor containing an IBE strain microorganism, said IBE reaction section being fed by a FIBE feed stream comprising at least one SIBE aqueous solution of C5 sugars and / or C6 and a solvent stream which comprises at least acetone, said solvent stream being composed at least of the acetone stream (A) obtained in step b), the flow rates of the SIBE aqueous solution and of the solvent stream being adjusted so that the acetone concentration in the FIBE feed stream is less than or equal to 10 g / L, to produce at least one IBea fermentation wort, comprising at least isopropanol, butanol and ethanol.
  • the Applicant has discovered that it is possible to significantly improve the productivity and the content of solvents, in particular of alcohols, of a process for converting sugars, by integrating a double ABE-IBE fermentation system, and more particularly a succession of ABE fermentation then of IBE fermentation.
  • the present invention thus makes it possible to benefit from the performance of ABE-type strains, in particular wild-type ABE-type strains, in particular in terms of bacterial biomass, of the titer of the must produced, of the productivity of solvents, to produce a mixture of alcohols and of acetone, and this continuously and stable over time.
  • Acetone obtained by ABE fermentation in the presence of natural ABE-type Clostridia strains can in fact be enhanced during IBE fermentation during which it is reduced to isopropanol in the presence of natural or genetically modified IBE-type Clostridia strains.
  • an ABE-type fermentation is a fermentation using microorganisms, or bacteria, which allow the conversion of sugars comprising 5 and / or 6 carbon atoms, also called sugars with 5 carbon atoms ( C5) and / or with 6 carbon atoms (C6), dissolved in an aqueous solution, in fermentation products comprising a mixture mainly composed of acetone, n-butanol (the majority product) and ethanol.
  • the mixture can also optionally comprise isopropanol, co-produced in small quantities so that it represents at most 2% by weight of the weight of the fermentation products resulting from the ABE fermentation.
  • the IBE type fermentation, or IBE fermentation is a fermentation using microorganisms, or bacteria, which allow the conversion of sugars comprising 5 and / or 6 carbon atoms (C5 and / or C6 sugars), solubilized in an aqueous solution, in fermentation products comprising a mixture mainly composed of isopropanol, n-butanol (main product) and ethanol alcohols.
  • the mixture of fermentation products can also include acetone, co-produced at levels generally representing at most 2% by weight of the weight of the fermentation products.
  • the “fermentation products” are the solvents produced during the targeted fermentation: they comprise, preferably consist, a mixture of n-butanol (or butanol), of ethanol, of isopropanol and of acetone, isopropanol being produced in greater amounts than acetone during IBE fermentation, acetone on the contrary being produced in greater amounts than isopropanol during ABE fermentation.
  • solvents can be used hereinafter and designates, in accordance with the invention, all of the alcohol and ketone compounds produced by fermentation.
  • ABE and IBE fermentations also produce fermentation gases, in particular containing carbon dioxide (CO2) and hydrogen.
  • fermentation gases in particular containing carbon dioxide (CO2) and hydrogen.
  • the terms “fermentative (s)” or “fermentation” are used interchangeably.
  • fermentation products are also called “fermentation products”;
  • fermentationgases are also called “fermentation products”, and so on.
  • the microorganisms also called bacteria, used in the double fermentation system ABE and IBE
  • the term “predominantly” means, here, preferably at least 60% by weight, by weight, preferably at least 80% by weight, preferably at least 90% by weight, of the solvents obtained by the fermentation in question.
  • Solventogenic bacteria of the Clostridium genus can be selected, for example, from C. acetobutylicum, C. cellulolyticum, C. phytofermentans, C. beijerinckii, C. diolis, C. puniceum, C. saccharoperbutyiacetonicum, C. botulinum, C. drakei, C. scatologenes C. perfringens, C. tunisiense, C. saccharobutylicum, C. saccharoperbutyiacetonicum, C. sporogenes, C. butyricum, C. aurantibutyricum and C.
  • tyrobutyricum preferably from C. acetobutylicum, C. beijerinckii, C. butyricum , C. tyrobutyricum and C. cellulolyticum, and even more preferably from C. acetobutylicum and C. beijerinckii.
  • the microorganisms used in the double fermentation system ABE and IBE can be natural (or wild) or genetically modified strains.
  • a genetically modified strain corresponds to a strain whose genetic material (DNA) has been modified compared to an initial strain. The genetic modifications are carried out using genetic tools well known to those skilled in the art (cf. Pyne et al.
  • the genetic modifications can correspond to modifications of the own genomic content of the strain used or to the integration of one (or more) genetic material (s), that is to say fragment (s) of 'DNA containing one or more genetic elements (promoter, gene, terminator, regulatory structure, etc.), making it possible to improve the performance of the Clostridium strains used in the process. Wild strains can naturally undergo point mutations within their genetic material (that is to say within their DNA) which do not affect their fermentation performance.
  • the microorganism used in the fermentation system of the process according to the invention and allowing ABE fermentation is the bacterium C. acetobutylicum, in particular the strain DSM 792 (also designated strain ATCC 824 or also LMG 5710) of C. acetobutylicum, and / or the bacterium C. beijerinckii, in particular the strain NCI MB 8052 of C. beijerinckii .
  • the microorganism used in the fermentation system of the process according to the invention and allowing IBE fermentation is a bacterium capable of producing isopropanol advantageously naturally, in particular capable of carrying out IBE fermentation in the wild state, and more particularly a bacterium chosen from C. beijerinckii bacteria, preferably of a sub- clade selected from DSM 6423, LMG 7814, LMG 7815, NRRL B-593, NCCB 27006; a C.
  • aurantibutyricum bacterium preferably of strain DSZM 793 or ATCC 17777, and a subclade of such a bacterium C. beijerinckii or C. aurantibutyricum exhibiting at least 90%, 95%, 96%, 97%, 98% or 99% identity with strain DSM 6423; the bacterium C. beijerinckii of the DSM 6423 subclade being particularly preferred.
  • a “bioreactor”, also referred to as a “fermenter” is equipment for the propagation of fermentation microorganisms capable of producing molecules of interest (solvents or other organic compounds). Fermentation in a bioreactor thus allows, in the presence of C5 and / or C6 sugars, growth of the microorganism used, with control of key parameters such as pH, agitation and temperature of the fermentation medium (or fermentation), also called reaction medium, and the production of the targeted solvents.
  • an ABE bioreactor designates a reactor in which an ABE fermentation is carried out and an IBE bioreactor designates a reactor in which an IBE fermentation is carried out.
  • the ABE and IBE fermentation steps according to the invention therefore consist in growing the microorganisms and recovering reaction effluents comprising the fermentation musts.
  • the volume of a bioreactor corresponds to the useful volume of said bioreactor.
  • the expression "between ... and " means that the limit values of the interval are included in the range of values described. If this was not the case and the limit values were not included in the range described, such precision will be provided by the present invention.
  • the different parameter ranges for a given step such as the pressure and temperature ranges can be used alone or in combination.
  • a range of preferred pressure values can be combined with a range of more preferred temperature values.
  • the invention relates to a process for the production of alcohols comprising, in particular, the following steps: a. an ABE fermentation step uses an ABE reaction section comprising at least one ABE bioreactor containing an ABE strain microorganism, advantageously wild-type or genetically modified, said ABE reaction section being fed at least with an SABE aqueous solution of C5 sugars and / or C6, to produce at least one fermentation wort ABei, comprising at least acetone, butanol and ethanol; b.
  • an intermediate acetone extraction step comprising an extraction section supplied at least with the fermentation must ABei obtained at the end of step a), to produce at least one acetone stream (A) and an aqueous stream of alcohols, comprising at least butanol and ethanol, said intermediate extraction step preferably being integrated into the process; vs.
  • an IBE fermentation step implementing an IBE reaction section comprising at least one IBE bioreactor containing an advantageously wild or genetically modified IBE strain microorganism, said IBE reaction section being fed by a FIBE feed stream comprising at least one SIBE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars and a solvent stream which comprises at least acetone, said solvent stream advantageously being composed of (i) the fermentation must ABei resulting directly from step a) to which is optionally added an acetone stream recycled, or (ii) of the acetone stream (A) obtained in step b) when said step b) is integrated into the process of the present invention, the flow rates of the SIBE aqueous solution and of the solvent stream which comprises at least acetone being adjusted so that the acetone concentration in the FIBE feed stream is less than or equal to 10 g / L, preferably less than or equal to 5 g / L, preferably less than or equal to 2 g / L, and advantageously greater than strictly 0,
  • step a) with an SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars;
  • step c with an SIBE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars.
  • C5 and / or C6 sugars are sugars comprising 5 carbon atoms (C5) and / or 6 carbon atoms (C6). They can have different origins.
  • the aqueous solutions of C5 and / or C6 sugars used in the process according to the invention advantageously come from the treatment of renewable sources. These renewable sources can be of the lignocellulosic biomass type which includes in particular woody substrates (deciduous and coniferous), agricultural by-products (straw) or those from industries generating lignocellulosic waste (agrifood industries, paper mills).
  • the aqueous solutions of C5 and / or C6 sugars can also be obtained from sugar plants, such as, for example, sugar beet and sugar cane, or else from starchy plants such as corn or wheat.
  • Any C5 sugar naturally present in the various lignocellulosic biomasses (mono- or dicotyledonous) used for the production of biofuel by the biological route can be fermented by the process according to the invention.
  • the C5 sugars are chosen from xylose and arabinose.
  • Any C6 sugar can also be fermented by the process according to the invention.
  • the C6 sugars are chosen from glucose, mannose and galactose. More preferably, the C6 sugar is glucose.
  • the C5 and / or C6 sugars are dissolved in said aqueous solutions of SABE and SIBE sugars, which are preferably in liquid form.
  • the concentration of C5 and / or C6 sugars in said aqueous solutions of SABE and SIBE sugars is between 1 and 900 g / L, preferably between 10 and 600 g / L, preferably between 20 and 500 g / L, so very preferred between 25 and 150 g / L.
  • the sugar concentrations of the two aqueous solutions of C5 and / or C6 sugars, SABE and SIBE are identical or different.
  • the concentration of sugars in the ABE solution is greater than that of IBE.
  • the process for the production of alcohols comprises a step a) implementing an ABE reaction section comprises at least one ABE bioreactor in which (or which) an ABE-type fermentation is carried out in the presence of an advantageously wild or genetically modified ABE strain microorganism.
  • Said ABE reaction section is fed at least by, preferably only by, an SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars, to produce at least one ABei fermentation wort.
  • said ABei fermentation must obtained comprises at least acetone, butanol and ethanol.
  • Said ABei fermentation must may optionally comprise isopropanol, in particular at a low content, advantageously less than or equal to 2% by weight relative to the total weight of all the acetone, butanol, ethanol and isopropanol solvents produced.
  • the ABei fermentation must also advantageously comprises water. It can also optionally contain solid material, which can be withdrawn directly from the bioreactor, preferably by gravity in the bottom zone of the ABE bioreactor.
  • Said ABE reaction section may comprise one or more ABE bioreactors, preferably at least two, preferably at least five ABE bioreactors.
  • said ABE reaction section in step a) comprises at most thirty ABE bioreactors, preferably at most twenty ABE bioreactors, preferably at most ten ABE bioreactors.
  • Each ABE bioreactor contains said microorganism of ABE strain, advantageously wild-type or genetically modified.
  • the IBE reaction section comprises several bioreactors, the bioreactors advantageously operate in parallel.
  • Said ABE reaction section is fed with an SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars.
  • said SABE aqueous solution has a concentration of C5 and / or C6 sugars of between 1 and 900 g / L, preferably between 10 and 600 g / L, preferably between 20 and 500 g / L, very preferably between 25 and 150 g / L.
  • said ABE reaction section comprises several ABE bioreactors
  • said SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars can be divided into as many feed streams of aqueous solution of sugars as there are bioreactors present in said reaction section.
  • the ABE fermentation carried out in the reaction section of step a) is carried out at a temperature between 25 and 40 ° C, preferably between 30 and 37 ° C, preferably at 34 ° C.
  • the fermentation is carried out at a pH between 4.0 and 7.0, preferably between 4.5 and 6.0.
  • the reaction section of step a) is carried out at atmospheric pressure.
  • the ABE fermentation can be implemented in batch mode, also called "batch" mode according to the English term, that is to say with an initial feed and without intermediate feed and / or without continuous feed of SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars.
  • the ABE fermentation is carried out in the ABE bioreactor (s) advantageously closed for the liquid phase (but open for the outgoing gas phase).
  • the ABE fermentation is carried out in batch mode for a period of between 30 and 150 hours, which advantageously corresponds to the duration of an ABE batch.
  • the useful volume of the ABE bioreactor (s) is between 10 and 500 m 3 .
  • the quantity of SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars, preferably at a concentration of C5 and / or C6 sugars of between 30 g / L and 90 g / L and in particular between 40 g / L and 60 g / L, initially introduced into the (or each) bioreactor ABE, corresponds to half of the useful volume of the bioreactor considered, and advantageously corresponds to the fermentation medium of said bioreactor.
  • the quantity of microorganisms introduced per batch (per “batch”) and per ABE bioreactor corresponds to a volume of a culture medium for cells (or bacteria) at the maximum growth rate and so that said volume of the culture medium is included. between 2 and 10% of the volume of the fermentation medium (or reaction volume). Continuous stirring is maintained to homogenize the reaction medium in each ABE bioreactor.
  • the ABE fermentation can be implemented in “semi-continuous” or “fed-batch” mode according to the English term.
  • the SABE aqueous solution of sugars is advantageously introduced into the ABE bioreactor (s) for a part at the start of the batch and for another part is added as the batch progresses into the batch (s).
  • a batch designates, according to the knowledge of those skilled in the art, advantageously the time for carrying out the fermentation between two emptying of the bioreactor (s) and the operations which take place during this time.
  • a batch preferably lasts between 20 and 200 hours, preferably between 30 and 150 hours.
  • the useful volume of the ABE bioreactor (s) is between 10 and 500 m 3 .
  • the (or each) ABE bioreactor is initially fed with a quantity of SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars, preferably at a sugar concentration of between 30 g / L and 90 g / L, preferably between 40 g / L and 60 g / L, which corresponds to a volume preferably equal to half of the useful volume of (each) ABE bioreactor.
  • each ABE bioreactor is fed, advantageously continuously or by pulses, with an SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars, preferably at a sugar concentration of between 500 and 800 g / L, at a flow rate advantageously between 10 and 5000 L / h, preferably between 20 and 2500 L / h.
  • the quantity of microorganisms of ABE strain, advantageously wild or genetically modified, introduced by batch and by ABE bioreactor corresponds to a volume of a culture medium for cells (or bacteria) at the maximum growth rate and so that said volume of the culture medium is between 2 and 10% of the volume of the fermentation medium (or reaction volume). Continuous stirring is maintained to homogenize the reaction medium, in each ABE bioreactor.
  • a withdrawal of the butanol produced, in liquid or gas form, continuously or by pulses, can then be implemented in each ABE reactor, the objective of this technique being to eliminate the butanol, which is toxic to microorganisms, as and when as it is produced by the strain.
  • This technique is called ISPR for In Situ Product Recovery according to the Anglo-Saxon term and is well known to those skilled in the art (cf. Outram V. et al. "A comparison of the energy use of in situ product recovery techniques for the Acetone Butanol Ethanol fermentation ”Bioresource Technology, 2016, 220, 590-600).
  • flow designate the quantities introduced or leaving the ABE bioreactor (s), Batch.
  • the ABE fermentation can be implemented in “simple continuous” mode, also called continuous mode with free cells.
  • the ABE bioreactor (s) is (are) then continuously fed with the SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars, at a concentration advantageously between 1 to 900 g / L, preferably between 10 and 600 g / L, preferably between 20 and 500 g / L, and very preferably between 25 and 150 g / L.
  • the feed rate of said SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars is adjusted so that the dilution rate in the ABE bioreactor (s), expressed in h 1 and corresponding to the inverse of residence time (i.e.
  • the concentration of microorganism in the reaction medium is between 10 8 and 10 11 cells / mL of reaction medium, preferably between 10 9 and 10 1 ° cells / ml_ of reaction medium.
  • Continuous stirring of the reaction medium in the ABE bioreactor (s) is advantageously maintained in order to homogenize said reaction medium.
  • the microorganisms and the products formed are withdrawn, continuously or by pulses, from the ABE bioreactor (s).
  • An ISPR technique as described above, can also be applied to remove butanol, which is toxic to bacteria.
  • the ABE fermentation can be implemented in “supported” continuous mode, also called confined continuous mode or continuous mode with cell immobilization.
  • the microorganisms then form a film, or biofilm, on a solid support, for example composed of a porous inorganic material, such as clays, of a metal foam, of a polymeric foam, in particular a polyurethane foam, the polyurethane foam being preferred (cf. FR 3 086670).
  • the microorganism concentration is between 10 7 and 10 1 ° cells / cm 3 of solid support, preferably between 10 8 and 10 9 cells / cm 3 solid support.
  • the inoculated solid support i.e. the solid support containing the microorganism biofilm, preferably the inoculated polyurethane foam, is then placed in the (or each) ABE bioreactor, so that the volume of inoculated solid support represents preferably between 1 and 50% of the useful volume of the ABE bioreactor, preferably between 5 and 30% of the useful volume of the ABE bioreactor.
  • the ABE bioreactor (s) is (are) then continuously fed with the SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars, at a concentration advantageously between 1 to 900 g / L, preferably between 10 and 600 g / L, preferably between 20 and 500 g / L, and very preferably between 25 and 150 g / L.
  • the feed rate of the ABE bioreactor (s) with said SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars is adjusted so that the dilution rate, expressed in h 1 and corresponding to the inverse of time residence (that is to say at the flow rate of said SABE aqueous solution divided by the useful volume of the bioreactors), as well known to those skilled in the art, is between 0.01 and 0.40 h 1 , from preferably between 0.015 and 0.30 h 1 , more preferably between 0.02 and 0.20 h 1 .
  • Continuous stirring of the reaction medium in the ABE bioreactor (s) is advantageously maintained in order to homogenize said reaction medium.
  • the microorganisms and the products formed are withdrawn, continuously or by pulses, from the ABE bioreactor (s).
  • An ISPR technique, as described above, can also be applied to remove butanol, which is toxic to bacteria.
  • the ABE fermentation in step a) is carried out in simple or continuous continuous mode with cell immobilization, and preferably in continuous mode with cell immobilization.
  • said ABE fermentation implemented in step a) produces, in addition to the fermentation must ABei, fermentation gases comprising in particular carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen.
  • the fermentation gases are separated from the fermentation must ABei in a separation zone, located at the outlet of the bioreactor or in the upper part of the fermenter which includes a gas evacuation system.
  • the ABei fermentation must obtained is discharged from the ABE bioreactor (s) via a system of conduits.
  • the ABE reaction section comprises several ABE bioreactors, that is to say at least two ABE bioreactors
  • said duct system also allows the mixing of all of the ABei fermentation musts produced by the various ABE bioreactors of the reaction section.
  • the fermentation must ABei obtained at the end of step a) thus corresponding to all the fermentation must produced in all the ABE bioreactors of the ABE reaction section.
  • step a the fermentation must ABei obtained is transferred directly to step c) or optionally to step b).
  • the ABei fermentation must obtained at the end of step a) feeds the extraction section used in step b).
  • the process for the production of alcohols may preferably comprise a step b) of intermediate extraction of acetone, to produce at least one acetone stream (A) and one aqueous stream of alcohols.
  • Said optional step b) comprises an extraction section which is fed at least with the fermentation must ABei obtained at the end of step a).
  • said extraction section can also be supplied with the fermentation must IBea obtained at the end of step c).
  • the separation of the acetone stream (A) from the aqueous stream of alcohols can be carried out according to any method known to those skilled in the art, such as for example by distillation (s), fractionation (s), etc.
  • the extraction section of step b) implements a succession of distillations.
  • the optional step b) implements in said extraction section: b-1) a first distillation, in particular of the fermentation must ABei optionally mixed with the fermentation must IBea, advantageously resulting from step c), in a beer column to obtain at the bottom of said beer column a flow of water and at the top of the beer column an aqueous mixture of solvents, and b-2) a second distillation of the mixture aqueous solvents in a distillation column, to obtain said acetone stream at the top of the column and said aqueous stream of alcohols at the bottom of the column.
  • the aqueous mixture of solvents extracted at the top of the beer column of step b-1) of this preferred embodiment comprises water, n-butanol (also called butanol according to the invention), acetone, ethanol and optionally isopropanol.
  • Said beer column from step b-1) can advantageously be equipped with a reboiling system, preferably by recompression of the overhead vapors.
  • aqueous mixture of solvents extracted at the top of the beer column from step b-1) of the preferred embodiment, is then sent to a distillation column, also called "acetone column".
  • acetone column also called "acetone column”.
  • the role of the acetone column of step b-2) is to separate the acetone from the alcohols, the acetone being extracted at the top of the acetone column and the said aqueous flow of alcohols being withdrawn at the bottom of the said column. acetone.
  • the acetone stream (A) obtained at the end of optional step b) has an acetone concentration greater than or equal to 95% by weight, preferably greater than or equal to 98% by weight, preferably greater than or equal to 99.5% by weight relative to the weight of said acetone stream.
  • Said aqueous flow of alcohols obtained at the end of optional step b) comprises, for its part, water and a mixture of alcohols, said alcohols being those advantageously produced during ABE fermentation or ABE fermentations. and IBE, in particular n-butanol (called butanol), ethanol and optionally isopropanol.
  • said aqueous stream of alcohols obtained at the end of optional step b) can then optionally be treated in an additional step of separating the alcohols.
  • Said additional alcohol separation step will comprise a distillation column, fed with said aqueous flow of alcohols resulting from step b) of the process, to separate at least one butanol effluent and a hydroalcoholic effluent comprising ethanol and optionally. isopropanol.
  • the process for the production of alcohols comprises a step c) implementing an IBE reaction section comprising at least one IBE bioreactor in which an IBE type fermentation is carried out in the presence of a microorganism of the IBE strain, advantageously wild or genetically modified.
  • Said IBE reaction section is fed by a FIBE feed stream comprising, preferably consisting of, an SIBE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars and a solvent stream which comprises acetone, to produce at least one wort of IBea fermentation.
  • the solvent stream is composed of: (i) when the process does not include step b) of intermediate acetone extraction, at least of said fermentation must ABei resulting directly from step a), or (ii) when the process comprises a step b) of intermediate acetone extraction, at least of said acetone stream (A) obtained at the end of step b).
  • said IBea fermentation must obtained in step c) comprises at least isopropanol, butanol and ethanol.
  • Said IBea fermentation must may also optionally comprise acetone, in particular in a content advantageously less than or equal to 2% by weight relative to the total weight of all the isopropanol, butanol, ethanol and acetone solvents produced.
  • the IBea fermentation must further comprises water.
  • the process according to the invention can then optionally further comprise a separation step for treating the IBea must and separating at least one acetone effluent, containing the acetone optionally co-produced during the IBE fermentation, and an alcohol effluent comprising the isopropanol, butanol and ethanol produced.
  • acetone effluent separated in said optional separation step, can then constitute a recycled acetone stream which can optionally be transferred to the IBE reaction section of step c) to feed the IBE bioreactor (s), thus constituting advantageously to part of the solvent stream.
  • the fermentation must IBea can also optionally contain solid matter, which can be withdrawn directly from the bioreactor, preferably by gravity in the bottom zone of the IBE bioreactor.
  • Said IBE reaction section may comprise one or more IBE bioreactors, preferably at least two, preferably at least five IBE bioreactors.
  • said IBE reaction section comprises at most thirty IBE bioreactors, preferably at most twenty IBE bioreactors, preferably at most ten IBE bioreactors.
  • Each IBE bioreactor contains said microorganism of IBE strain, advantageously wild or genetically modified.
  • the bioreactors advantageously operate in parallel.
  • Said IBE reaction section is fed by a FIBE feed stream comprising, preferably consisting of, an SIBE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars and a solvent stream comprising acetone, said solvent stream being advantageously composed of at least (i) ABei fermentation must resulting directly from step a), to which is optionally added a recycled acetone stream, or (ii) acetone stream (A) obtained at the end of step b) when is integrated into the process, to which is optionally added a recycled acetone stream.
  • the acetone stream (A) can comprise the acetone obtained from the must of fermentation ABei produced during stage a) of fermentation ABE and acetone obtained from fermentation must IBea co-produced during stage c) of fermentation IBE.
  • the solvent stream may also contain an exogenous acetone stream resulting from a product resulting from at least one process other than the process according to the invention. Said flow of exogenous acetone can come, at least in part, from another fermentation process or from a "chemical" process, that is to say not involving any fermentation.
  • the acetone produced by the chemical process is directly biocompatible, that is to say does not contain chemical compounds which inhibit the growth of the microorganisms used in step c) of the process according to the invention, or is treated prior to its introduction into the reaction section of step c) to make it biocompatible.
  • BE which feeds the reaction section IBE preferably comprises:
  • step a) an SIBE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars
  • said ABei fermentation must resulting directly from step a), optionally a recycled acetone stream and optionally an exogenous acetone stream, when the process does not include step b) of intermediate acetone extraction making it possible to treat at least the fermentation must ABei resulting from step a), or
  • said SIBE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars which partly makes up the FIBE feed stream of the IBE reaction section has a concentration of C5 and / or C6 sugars of between 1 and 900 g / L, preferably between 10 and 600 g / L, preferably between 20 and 500 g / L, very preferably between 25 and 150 g / L.
  • the SIBE aqueous solution which provides the sugar necessary for microorganisms to develop and ensure the fermentation, advantageously makes it possible to dilute in the FIBE feed stream the acetone supplied by the solvent stream.
  • the flow rates of the SIBE aqueous solution and of the solvent flow comprising acetone are adjusted so that the acetone concentration in the F
  • the SIBE aqueous solution also advantageously makes it possible to dilute, where appropriate, the butanol in the FIBE feed stream, when the solvent stream comprises the fermentation wort ABei resulting from step a), that is to say when the process does not include step b) of intermediate extraction.
  • the butanol concentration in the FIBE feed stream is less than or equal to 15 g / L, preferably less than or equal to 12 g / L.
  • the ABE and IBE reaction sections are advantageously dimensioned with respect to each other, by any known methods, in particular in terms of number of bioreactors, of total useful volume of the bioreactor (s), of flow rates and concentrations of the aqueous solutions of SABE and SIBE sugars, of choice of the microorganisms ABE and IBE, etc., so as to meet in particular the acetone concentration requirements of the FIBE feed stream of the IBE reaction section, less than or equal 10 g / L, preferably less than or equal to 5 g / L, preferably less than or equal to 2 g / L, and advantageously greater than strictly 0, preferably greater than or equal to 0.01 g / L, preferably greater than or equal to 0.1 g / L.
  • the ABE reaction section relative to the IBE reaction section to produce an ABei fermentation must comprising a quantity of acetone making it possible to comply with a maximum acetone concentration in the feed for the IBE reaction section.
  • 10 g / L preferably 5 g / L, preferably 2 g / L, and advantageously greater than strictly 0, preferably greater than or equal to 0.01 g / L, preferably greater than or equal to 0.1 g / L .
  • a person skilled in the art will thus be able to size the ABE reaction section to produce a wort containing a quantity of acetone adjusted so as to respect a concentration of acetone in the FIBE feed flow less than or equal to 10g / L.
  • the IBE reaction section comprises several IBE bioreactors
  • said FIBE feed stream can be very advantageously divided into as many feed sub-streams as there are bioreactors present in said reaction section.
  • the IBE fermentation carried out in the IBE reaction section of step c) is carried out at a temperature between 25 and 40 ° C, preferably between 30 and 37 ° C, preferably at 34 ° C.
  • the fermentation is carried out at a pH between 4.0 and 7.0, preferably between 4.5 and 6.0.
  • the IBE reaction section of step c) is carried out at atmospheric pressure.
  • the IBE fermentation can be implemented in batch mode, also called "batch" mode according to the English term, that is to say with an initial feed and without intermediate feed and / or without continuous feed of FIBE feed stream.
  • the IBE fermentation is carried out in the IBE bioreactor (s) advantageously closed for the liquid phase (but open for the outgoing gas phase), for an IBE batch, that is to say between two emptying of the bioreactor (s), ie advantageously a period of between 30 and 150 hours.
  • the useful volume of the IBE bioreactor (s) is between 10 and 500 m 3 .
  • the amount of FIBE feed stream advantageously comprising an SO aqueous solution of C5 and / or C6 sugars, preferably at a concentration of C5 and / or C6 sugars of between 30 g / L and 90 g / L and in particular between 40 g / L and 60 g / L, initially introduced into the (or each) IBE bioreactor, corresponds to half of the useful volume of the bioreactor considered, and advantageously corresponds to the fermentation medium of said bioreactor.
  • the quantity of microorganisms introduced per batch (per “batch”) and per IBE bioreactor corresponds to a volume of a culture medium for cells (or bacteria) at the maximum growth rate and so that said volume of the culture medium is included. between 2 and 10% of the volume of the fermentation medium (or reaction volume). Continuous stirring is maintained to homogenize the reaction medium in each IBE bioreactor.
  • the IBE fermentation can be implemented in “semi-continuous” or “fed-batch” mode according to the English term.
  • the FIBE feed stream is advantageously introduced into the IBE bioreactor (s) for a part at the start of the batch and for another part is added as the batch progresses into the batch (s).
  • a batch designates, according to the knowledge of those skilled in the art, advantageously the time for carrying out the fermentation between two emptying of the bioreactor (s) and the operations which take place during this time.
  • a batch preferably lasts between 20 and 200 hours, preferably between 30 and 150 hours.
  • the useful volume of the IBE bioreactor (s) is between 10 and 500 m 3 .
  • the (or each) IBE bioreactor is initially fed with an amount of FIBE feed stream, advantageously comprising an SO aqueous solution of C5 and / or C6 sugars, preferably with a sugar concentration of between 30 g / L and 90 g / L, preferably between 40 g / L and 60 g / L, said quantity of FIBE feed stream, introduced initially corresponding to a volume preferably equal to half of the useful volume of (each) bioreactor IBE.
  • each IBE bioreactor is fed, advantageously continuously or by pulses, by said FIBE feed stream, advantageously comprising an SABE aqueous solution of C5 and / or C6 sugars, preferably at a sugar concentration of included between 500 and 800 g / L, the flow rate of the FIBE feed stream advantageously being between 10 and 5000 L / h, preferably between 20 and 2500 L / h.
  • the quantity of IBE strain microorganisms, advantageously wild or genetically modified, introduced by batch and by IBE bioreactor corresponds to a volume of a culture medium for cells (or bacteria) at the maximum growth rate and so that said volume of the culture medium is between 2 and 10% of the volume of the fermentation medium (or reaction volume).
  • flow designate the quantities introduced or leaving the IBE bioreactor (s), Batch.
  • the IBE fermentation can be implemented in “simple continuous” mode, also called continuous mode with free cells.
  • the IBE bioreactor (s) is (are) then supplied continuously by the FIBE feed stream.
  • the feed rate of said FIBE feed stream is adjusted so that the dilution rate in the IBE bioreactor (s), expressed in h 1 and corresponding to the inverse of the residence time (c ' that is to say at the flow rate of said FIBE feed stream divided by the useful volume of the bioreactors), as well known to those skilled in the art, is between 0.01 and 0.05 h- 1 , preferably between 0.0125 and 0.033 h 1 .
  • the concentration of microorganism in the reaction medium is between 10 8 and 10 11 cells / mL of reaction medium, preferably between 10 9 and 10 1 ° cells / ml_ of reaction medium.
  • Continuous stirring of the reaction medium in the IBE bioreactor (s) is advantageously maintained in order to homogenize said reaction medium.
  • the microorganisms and the products formed are withdrawn, continuously or by pulses, from the IBE bioreactor (s).
  • An ISPR technique as described above, can also be applied to remove butanol, which is toxic to bacteria.
  • the IBE fermentation can be implemented in “supported” continuous mode, also called confined continuous mode or continuous mode with cell immobilization.
  • the microorganisms then form a film, or biofilm, on a solid support, for example composed of a porous inorganic material, such as clays, of a metal foam, of a polymeric foam, in particular a polyurethane foam, the polyurethane foam being preferred (cf. FR 3 086670).
  • the microorganism concentration is between 10 7 and 10 1 ° cells / cm 3 of solid support, preferably between 10 8 and 10 9 cells / cm 3 solid support.
  • the inoculated solid support i.e. the solid support containing the microorganism biofilm, preferably the inoculated polyurethane foam, is then placed in the (or each) IBE bioreactor, so that the volume of inoculated solid support represents preferably between 1 and 50% of the useful volume of the IBE bioreactor, preferably between 5 and 30% of the useful volume of the IBE bioreactor.
  • the IBE bioreactor (s) is (are) then continuously supplied by the feed stream FIBE -
  • the feed rate of the IBE bioreactor (s) with said feed stream FIBE is adjusted so that the dilution rate, expressed in h 1 and corresponding to the inverse of the residence time (i.e.
  • the flow rate of said FIBE feed stream divided by the useful volume of the bioreactors) is between 0.01 and 0.40 h 1 , preferably between 0.015 and 0.30 h 1 , preferably between 0.02 and 0.20 h 1 .
  • Continuous stirring of the reaction medium in the IBE bioreactor (s) is advantageously maintained in order to homogenize said reaction medium.
  • the microorganisms and the products formed are withdrawn, continuously or by pulses, from the IBE bioreactor (s).
  • An ISPR technique as described above, can also be applied to remove butanol, which is toxic to bacteria.
  • the IBE fermentation in step c) is carried out in simple continuous mode or in continuous mode with cell immobilization, and preferably in continuous mode with cell immobilization.
  • said IBE fermentation implemented in step c) further produces fermentation gases comprising in particular carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen.
  • the fermentation gases are advantageously separated from the fermentation must IBea in a separation zone, located at the outlet of the bioreactor or in the upper part of the fermenter IBE which comprises a gas evacuation system.
  • the IBea fermentation must obtained by IBE fermentation is discharged from the IBE bioreactor (s) via a system of conduits.
  • the IBE reaction section comprises several IBE bioreactors, that is to say at least two IBE bioreactors, said duct system also allows the mixing of all the IBea fermentation musts produced by the different IBE bioreactors of the reaction section.
  • the IBea fermentation must obtained at the end of step c) thus corresponding to all the fermentation must produced in all the IBE bioreactors of the IBE reaction section.
  • the fermentation must IBea can optionally be treated during a separation step in a separation section, in particular located downstream of the IBE reaction section of step c), to separate at least one acetone effluent, containing the acetone co-produced during the IBE fermentation and which can optionally be recycled to the IBE reaction section of step c) to feed the IBE bioreactor (s), and an alcohol effluent comprising isopropanol, butanol and ethanol produced especially during IBE fermentation.
  • the process according to the invention comprises said step b) of intermediate extraction of acetone.
  • the fermentation must IBea obtained at the end of step c) is transferred, preferably directly, to said step b) and fed, mixed with the fermentation must ABei resulting from step a), the extraction section of said step b).
  • the fermentation must ABei and the fermentation must IBea are treated together and in the same treatment unit.
  • This preferred embodiment of the invention therefore has the advantage of pooling the treatment of fermentation musts in order to separate the acetone from the alcohols produced by all of the two fermentation systems.
  • This embodiment thus makes it possible, in addition to using the fermentation performance of the ABE strains and the ability of the IBE strains to transform acetone into isopropanol, in order to improve the yields and the conversion, in particular to reduce the overall energy consumption of the process compared with a process which does not offer this mutualisation of treatment for the same alcohol yield.
  • Another advantage of this particular embodiment lies in the fact that the acetone co-produced during the IBE fermentation is recycled and reintroduced into the IBE reaction section to be assimilated by the IBE strains and transformed into isopropanol, the acetone co -product being therefore upgraded and the isopropanol yield increased.
  • the method according to the invention can operate in continuous, batch or semi-continuous mode, as described above.
  • flow denote the quantities introduced or leaving the ABE and / or IBE bioreactor (s), Batch.
  • the process operates in continuous mode, and more preferably in confined continuous mode.
  • the process according to the invention thus makes it possible to continuously produce a fermentation must (or wine) which is highly concentrated in alcohols, in particular with a very high isopropanol concentration compared to a conventional IBE fermentation process.
  • the present invention in fact makes it possible to obtain isopropanol both by the endogenous process, that is to say transformation of the sugars into C5 and / or C6, and by conversion of the acetone resulting from the ABE fermentation. prior.
  • the present invention thus makes it possible to significantly increase the productivity in solvents, and in particular the productivity in isopropanol, of the overall process, by benefiting from the activity performance of the ABE strains in particular of the wild ABE strains, that is to say - to say of the performances in terms of bacterial growth, of title of the wine (or must) obtained and of the productivity in solvents, and by using the capacity of conversion of acetone into isopropanol of the IBE strains in particular of the wild IBE strains.
  • the present invention also makes it possible, surprisingly, to obtain an amount of product solvents identical to that of a conventional IBE process, advantageously to reduce the number of fermenters required compared to said conventional IBE fermentation process.
  • the energy consumption, in particular necessary for the solvent separation step can be advantageously reduced in a process according to the present invention compared to a more conventional IBE fermentation process.
  • the unit of weight “tonne” is written “t”
  • the unit of weight “gram” is written “g”
  • the unit of time “hour” s. 'writes'h' is written “t”
  • Example 1 describes a process for the production of IBEa by IBE fermentation in the presence of a wild type IBE strain DSM 6423 of the bacterium C. beijerinckii, according to the state of the art, not in accordance with the invention. .
  • the production plant has 5 fermenters of 500 m 3 (ie 400 m 3 useful), operating in parallel. These 5 fermenters operate in continuous confined mode and contain a microorganism of wild strain IBE type 6423. In the fermentation medium, 80 m 3 of inoculated support are introduced into each of the fermenters and the microorganism concentration is between 10 8 and 10 9 cells / cm 3 of support.
  • These 5 fermenters are fed with an aqueous solution of glucose having a flow rate of 378.7 m 3 / h (ie 378,700 L / h) and a glucose concentration of 46.9 g / L.
  • the flow rate of the aqueous glucose solution supplied to the fermenters is adjusted so that the rate of dilution in each fermenter, i.e. the inverse of the residence time, i.e. the flow rate of sugar solution divided by the volume total usefulness of the fermenters, is equal to 0.19 h -1 .
  • the volume productivity of solvents is 2 g / L / h, that is to say 2 g of IBEa per liter of fermentation must and per hour.
  • the fermentation wort from these 5 fermenters has a concentration of 10.6 g / L IBEa and a residual glucose content of 13.9 g / L.
  • the fermentation musts of these 5 fermenters are mixed to form an effluent which is then divided into three equivalent sub-effluents to feed 3 other fermenters of 3500 m 3 each (ie 2800 m 3 useful) operating in parallel.
  • the concentration of wild-type IBE-type microorganisms is between 10 9 and 10 10 cells / mL of reaction medium.
  • the fermentation must from the 5 fermenters, which also contains the remainder of glucose, also feeds the last three fermenters with the same flow rate of 378.7 m 3 / h (ie 378,700 L / h).
  • the dilution rate namely the inverse of the residence time (flow rate of aqueous solution of alcohols and glucose divided by the total useful volume of the fermenters) is equal to 0.045 h 1 .
  • the volume productivity of solvents is 0.2 g IBEa / L / h.
  • the fermentation must from these last 3 fermenters has a concentration of 15 g / L of IBEa and no longer contains glucose.
  • the must from these three fermenters is sent to an extraction section downstream of the last three fermenters, comprising a beer column, which separates an aqueous solution of solvents at the top and water at the bottom, then an acetone column which makes it possible to separate the acetone at the top and an isopropanol / ethanol / butanol / water mixture at the bottom, then a column which makes it possible to separate the isopropanol / water azeotrope at the top, which also contains ethanol, and a water / butanol mixture at the bottom and finally a system of two columns which make it possible to separate the water / butanol hetero-azeotrope.
  • the energy consumption of the entire extraction section is 5.9 tonnes of steam per tonne of solvent produced, or approximately 13 G J per tonne of solvent produced. 50% of the water obtained at the bottom of the beer column is recycled to the preparation of the glucose solution feeding the first 5 fermenters, the rest is sent to the water treatment plant.
  • Table 1 below shows the annual production of the production plant of Example 1: Table 1
  • Example 2 describes a process for the production of alcohols, according to the invention, by a double ABE-IBE fermentation system, using a wild-type ABE strain for the ABE fermentation and a wild-type IBE strain for the IBE fermentation and the conversion of l acetone produced during ABE fermentation to isopropanol.
  • the plant has 2 ABE fermenters of 400 m 3 useful each, operating in parallel. These 2 ABE fermenters operate in confined continuous mode and contain a wild-type ABE strain microorganism.
  • the concentration of wild-type ABE microorganism in the fermentation medium, also called the reaction medium, is between 10 8 and 10 9 cells / cm 3 of support; 80 m 3 of support are introduced into each of the ABE fermenters.
  • the 2 ABE fermenters are fed with an aqueous glucose solution having a flow rate of 177.4 m 3 / h (ie 177,400 L / h) and a glucose concentration of 71.9 g / L.
  • the flow rate of the solution aqueous glucose feeding the ABE fermenters is adjusted so that the dilution rate in each ABE fermenter, i.e. the reciprocal of the residence time, i.e. the flow rate of sugar solution divided by the total useful volume of ABE fermenters, is equal to 0.22 h 1 .
  • the volume productivity of ABEi solvents is 3 g ABEi / L / h (i.e. 3 g of ABEi per liter of aqueous glucose solution per hour).
  • the fermentation must from these 2 ABE fermenters has a concentration of 13.5 g / L of ABEi and a residual glucose content of 29.6 g / L.
  • the fermentation musts of these 2 ABE fermenters are mixed into an effluent to feed two other ABE fermenters, called finishing, of 2800 m 3 useful each.
  • finishing ABE fermenters operate in simple continuous operation: the concentration of wild-type ABE-type microorganisms is between 10 th 9 and 10 th 10 cells / ml of reaction medium.
  • the effluent which includes the fermentation musts from the first 2 ABE fermenters and which contains residual glucose, feeds the two ABE finishing fermenters with the same flow rate of 177.4 m 3 / h (i.e. 177,400 L / h).
  • the dilution rate namely the inverse of the residence time (flow rate of aqueous solution of alcohols and glucose divided by the total useful volume of the fermenters) is equal to 0.0316 h 1 .
  • ABEi solvents (Acetone, Butanol, Ethanol, isopropanol) is 0.3 g ABEi / L / h.
  • the total ABEi fermentation must from the ABE finishing fermenters has a concentration of 23 g / L in Acetone-Butanol-Ethanol-isopropanol ABEi solvents and no longer contains glucose.
  • the plant also includes 2 IBE fermenters of 400 m 3 each, operating in parallel. These 2 IBE fermenters operate in continuous confined mode and contain a microorganism of the wild strain IBE of type DSM 6423 of the bacterium C. beijerinckii.
  • the concentration of microorganism in the fermentation medium, also called reaction medium, is between 10 8 and 10 9 cells / cm 3 of support and 80 m 3 of support are introduced into each of the IBE fermenters.
  • These 2 IBE fermenters are fed with an aqueous glucose solution having a flow rate of 158 m 3 / h (ie 158,000 L / h) and a glucose concentration of 31.7 g / L.
  • These IBE fermenters are fed with the same aqueous glucose solution at a flow rate adjusted so that the rate of dilution in each fermenter by the aqueous glucose solution is equal to 0.2 h 1 .
  • IBEa solvents Isopropanol, Butanol, Ethanol, acetone
  • IBEa solvents Isopropanol, Butanol, Ethanol, acetone
  • the musts from the ABE finishing fermenters and the two IBE fermenters are mixed.
  • the resulting mixture has a total concentration of Isopropanol-Butanol-Ethanol-Acetone (IBEA) solvents of 21.6 g / L. This mixture is sent to an extraction section.
  • IBEA Isopropanol-Butanol-Ethanol-Acetone
  • Said extraction section is composed of: a beer column for treating the mixture and which makes it possible to separate an aqueous solution of solvents at the top and water at the bottom, then an acetone column for treating the aqueous solution of solvents and which makes it possible to separate a flow of acetone (13,286.4 t / year) at the top of the column and an isopropanol / ethanol / butanol / water mixture at the bottom of the column, then a column which makes it possible to separate the azeotrope isopropanol / water at the top, which also contains ethanol, and a water / butanol mixture at the bottom and finally a system of two columns which make it possible to separate the water / butanol hetero-azeotrope.
  • the energy consumption of the extraction section is 4.8 tonnes of steam per tonne of solvents produced, or approximately 10.5 G J per tonne of solvents.
  • a fraction of the acetone stream issuing from the head of the acetone column is recovered and constitutes said acetone stream which supplies the 2 IBE fermenters with said aqueous glucose solution at 31.7 g / L.
  • the IBE fermenters are thus supplied with the aqueous glucose solution, at a flow rate of 158 m 3 / h and a concentration of 31.7 g / L of glucose, and an acetone flow at a flow rate of 1.9 m 3 / h d acetone, that is to say in total a feed at a flow rate of about 160 m 3 / h of a solution containing 31.25 g / L of glucose and 10 g / L of acetone.
  • the non-recycled fraction of the acetone stream coming from the head of the acetone column in the extraction section is purged, that is to say recovered at the outlet of the plant, i.e. 486.4 t / year of acetone purged, and may be sold or burned. This purge helps prevent product build-up, especially acetone, in the recycling loop.
  • the process according to the invention, described in Example 2 is advantageous over the non-conforming process described in Example 1 for the following reasons: -
  • the plant has 2 fewer fermenters in the conforming process described in Example 2 compared to the process described in Example 1 not consistent to produce the same total amount of solvents.
  • the overall productivity of the process is therefore improved because the same quantity of solvents is produced with less fermentation volume.
  • the wort separated in the extraction section is more concentrated in solvents in the process described in Example 2 compared to the wort treated in the process described in Example 1 (21.6 g / L against 15 g / L ): the separation therefore requires less heating steam and therefore less energy, 10.5 GJ per tonne of solvents produced by the conforming process of Example 2 against about 13 GJ per tonne of solvents produced by the process of l 'Example 1 non-compliant.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de production d'alcools comprenant : a. une étape de fermentation ABE mettant en œuvre au moins un bioréacteur ABE contenant un microorganisme ABE et alimenté au moins par une solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6, pour produire un moût de fermentation ABei; b. éventuellement une étape d'extraction intermédiaire de l'acétone, pour produire au moins un flux acétone (A) et un flux aqueux d'alcools,; c. une étape de fermentation IBE mettant en œuvre au moins un bioréacteur IBE contenant un microorganisme IBE et alimenté par une solution aqueuse SIBE de sucres en C5 et/ou C6 et un flux solvant qui comprend au moins (i) ledit moût de fermentation ABei issu de l'étape a), ou (ii) le flux acétone (A) de l'étape b) éventuelle, les débits de la solution aqueuse SIBE et du flux solvant étant ajustés de sorte que la concentration en acétone dans l'alimentation IBE est inférieure ou égale à 10 g/L, pour produire un moût de fermentation IBea.

Description

l
PROCEDE DE PRODUCTION D’ALCOOLS OPTIMISE PAR COUPLAGE FERMENTAIRE
ABE / IBE
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé amélioré de production d’alcools, en particulier de butanol et d’isopropanol, intégrant un double système fermentaire, en particulier un système comprenant des souches Clostridia de type ABE suivi d’un système comprenant des souches Clostridia de type IBE.
Technique Antérieure
Afin de répondre aux enjeux de la transition énergétique, de nombreuses recherches sont menées pour développer des procédés dits «verts», permettant d’accéder à des intermédiaires chimiques d’une façon alternative au raffinage du pétrole et/ou à la pétrochimie.
Les alcools issus de fermentation (éthanol, n-butanol, noté butanol dans la suite, isopropanol) sont les substituts de dérivés pétrochimiques les plus prometteurs. La fermentation ABE (Acétone - Butanol - Ethanol) est une des plus anciennes fermentations à avoir été industrialisée (début du 20ème siècle) et a été largement étudiée depuis (cf. Moon et al. « One hundred years of clostridial butanol fermentation. » FEMS Microbiol Lett. 2016 Feb, 363, 3). Il existe également la fermentation IBE (Isopropanol - Butanol - Ethanol) qui produit un mélange d’isopropanol, butanol et éthanol (cf. Dos Santos Vieira et al. « Acetone-free biobutanol production: Past and recent advances in the Isopropanol-Butanol-Ethanol (IBE) fermentation. » Bioresour Technol. 2019 Sep, 287:121425). Ces deux types de fermentations sont réalisées en anaérobiose stricte par un microorganisme fermentaire généralement du genre Clostridium.
Ces souches de Clostridia, non pathogènes, dites solvantogènes, et utilisées en biotechnologie, ont naturellement la capacité de transformer une variété importante de sucres pour produire des espèces chimiques d’intérêt, et plus particulièrement un mélange d’acétone, de butanol et d’éthanol au cours de la fermentation ABE (Jones et al. « Acetone-butanol fermentation revisited. » Microbiol Rev 1986, 50: 484-524). Certaines sont quant à elle capables de produire un mélange d’isopropanol, de butanol et d’éthanol lors d’une fermentation dite IBE (Chen ét al., « Acetone-butanol-isopropanol production by Clostridium beijerinckii (synonym, Clostridium butylicum). » Biotechnol Lett 1986, 8: 371-376 ; George et al., « Acetone, isopropanol and butanol production by Clostridium beijerinckii (syn. Clostridium butylicum) and Clostridium aurantibutyricum. » Appl Environ Microbiol 1983, 45: 1160-1163). Des équipes ont montré que, lors du processus fermentaire IBE qui conduit au mélange d’alcools Isopropanol / Butanol / Ethanol (l/B/E), l’acétone est un produit intermédiaire de la voie de production fermentaire de l’isopropanol (Maté de Gérando et al., « Genome and transcriptome of the natural isopropanol producer Clostridium beijerinckii DSM6423 » BMC Genomics, 2018 19:242 ; Collas, 2012. « Production of isopropanol, butanol and éthanol by metabolic engineered Clostridia ». Thèse de doctorat en Microbiologie et Biologie moléculaire. AgroParisTech. France).
Les souches sauvages, transformant naturellement les sucres en solvants, sont réputées stables contrairement aux souches génétiquement modifiées. Les souches sauvages peuvent cependant subir naturellement des mutations ponctuelles au sein de leur matériel génétique (c’est-à-dire au sein de leur ADN) qui n’affectent pas leurs performances fermentaires. Elles peuvent ainsi être cultivées en mode continu pendant plus de 1000 heures de fonctionnement (cf. Gapes étal., « Long-Term Continuous Cultivation of Clostridium beijerinckii in a Two-Stage Chemostat with On-Line Solvent Removal », Appl Environ Microbiol, Sept. 1996, Vol 62, N°9, p. 3210-3219).
Seules quelques souches de Clostridia solvantogènes particulières sont donc naturellement capables de produire de l’isopropanol, notamment certaines souches de Clostridium beijerinckii (ou C. beijerinckii). Les autres souches produisent un mélange acétone / butanol / éthanol (A/B/E). Par ailleurs, les souches Clostridia naturellement productrices du mélange isopropanol-butanol-éthanol, souches dites IBE, présentent des performances inférieures aux souches Clostridia dites ABE, c’est-à-dire naturellement productrices du mélange acétone- butanol-éthanol, en termes de taux de croissance, de titre en solvants (Acétone/lsopropanol, n-butanol, Ethanol), et de productivité en solvants (par g de solvants / L de milieu / heure) (cf. Dos Santos Vieira et al. « Acetone-free biobutanol production: Past and recent advances in the Isopropanol-Butanol-Ethanol (IBE) fermentation. » Bioresour. Technol. 2019 Sep, 287:121425).
Dans l’objectif de produire des alcools, la présente invention propose de parer aux défauts des souches Clostridia de type IBE, notamment des souches Clostridia sauvages de type IBE, et en particulier à leurs faibles performances en termes de productivité et de titre en solvants et en particulier en alcools. La présente invention vise en effet un procédé amélioré de production d’alcools proposant une productivité et un titre améliorés. Résumé de l’invention
La présente invention concerne ainsi un procédé de production d’alcools comprenant les étapes suivantes : a. une étape de fermentation ABE qui met en œuvre une section réactionnelle ABE comprenant au moins un bioréacteur ABE contenant un microorganisme de souche ABE, ladite section réactionnelle ABE étant alimentée au moins par une solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6, pour produire au moins un moût de fermentation ABei, comprenant au moins de l’acétone, du butanol et de l’éthanol ; b. éventuellement une étape d’extraction intermédiaire de l’acétone, comprenant une section d’extraction alimentée au moins par le moût de fermentation ABei obtenu à l’issue de l’étape a), pour produire au moins un flux acétone (A) et un flux aqueux d’alcools, comprenant au moins le butanol et l’éthanol ; c. une étape de fermentation IBE mettant en œuvre une section réactionnelle IBE comprenant au moins un bioréacteur IBE contenant un microorganisme de souche IBE, ladite section réactionnelle IBE étant alimentée par un flux d’alimentation FIBE comprenant au moins une solution aqueuse SIBE de sucres en C5 et/ou C6 et un flux solvant qui comprend au moins de l’acétone, ledit flux solvant étant avantageusement composé (i) du moût de fermentation ABei issu directement de l’étape a), ou (ii) du flux acétone (A) obtenu à l’étape b) éventuelle lorsque ledit procédé comprend ladite étape b), les débits de la solution aqueuse SIBE et du flux solvant étant ajustés de sorte que la concentration en acétone dans le flux d’alimentation FIBE est inférieure ou égale à 10 g/L, pour produire au moins un moût de fermentation IBea, comprenant au moins de l’isopropanol, du butanol et de l’éthanol.
Selon un premier mode de réalisation de l’invention, le procédé selon l’invention ne comprend pas d’étape b) d’extraction intermédiaire de l’acétone. Dans ce mode de réalisation particulier de l’invention, le procédé de production d’alcools inclue alors les étapes suivantes : a. une étape de fermentation ABE qui met en œuvre une section réactionnelle ABE comprenant au moins un bioréacteur ABE contenant un microorganisme de souche ABE, ladite section réactionnelle ABE étant alimentée au moins par une solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6, pour produire au moins un moût de fermentation ABei, comprenant au moins de l’acétone, du butanol et de l’éthanol ; c. une étape de fermentation IBE mettant en œuvre une section réactionnelle IBE comprenant au moins un bioréacteur IBE contenant un microorganisme de souche IBE, ladite section réactionnelle IBE étant alimentée par un flux d’alimentation FIBE comprenant au moins une solution aqueuse SIBE de sucres en C5 et/ou C6 et un flux solvant qui comprend au moins de l’acétone, ledit flux solvant étant composé au moins du moût de fermentation ABei issu directement de l’étape a), les débits de la solution aqueuse SIBE et du flux solvant étant ajustés de sorte que la concentration en acétone dans le flux d’alimentation F!BE est inférieure ou égale à 10 g/L, pour produire au moins un moût de fermentation IBea, comprenant au moins de l’isopropanol, du butanol et de l’éthanol.
Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, le procédé selon l’invention ne comprend pas d’étape b) d’extraction intermédiaire de l’acétone. Dans ce mode de réalisation particulier de l’invention, le procédé de production d’alcools inclue alors les étapes suivantes : a. une étape de fermentation ABE qui met en œuvre une section réactionnelle ABE comprenant au moins un bioréacteur ABE contenant un microorganisme de souche ABE, ladite section réactionnelle ABE étant alimentée au moins par une solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6, pour produire au moins un moût de fermentation ABei, comprenant au moins de l’acétone, du butanol et de l’éthanol ; b. une étape d’extraction intermédiaire de l’acétone, comprenant une section d’extraction alimentée au moins par le moût de fermentation ABei obtenu à l’issue de l’étape a), pour produire au moins un flux acétone (A) et un flux aqueux d’alcools, comprenant au moins le butanol et l’éthanol ; c. une étape de fermentation IBE mettant en œuvre une section réactionnelle IBE comprenant au moins un bioréacteur IBE contenant un microorganisme de souche IBE, ladite section réactionnelle IBE étant alimentée par un flux d’alimentation FIBE comprenant au moins une solution aqueuse SIBE de sucres en C5 et/ou C6 et un flux solvant qui comprend au moins de l’acétone, ledit flux solvant étant composé au moins du flux acétone (A) obtenu à l’étape b), les débits de la solution aqueuse SIBE et du flux solvant étant ajustés de sorte que la concentration en acétone dans le flux d’alimentation FIBE est inférieure ou égale à 10 g/L, pour produire au moins un moût de fermentation IBea, comprenant au moins de l’isopropanol, du butanol et de l’éthanol.
De manière surprenante, la demanderesse a découvert qu’il était possible d’améliorer sensiblement la productivité et le titre en solvants, en particulier en alcools, d’un procédé de conversion de sucres, en intégrant un double système fermentaire ABE-IBE, et plus particulièrement une succession de fermentation ABE puis de fermentation IBE. La présente invention permet ainsi de bénéficier des performances des souches de type ABE, en particulier des souches sauvages de type ABE, notamment en termes de biomasse bactérienne, de titre du moût produit, de productivité en solvants, pour produire un mélange d’alcools et d’acétone, et ce de façon continu et stable dans le temps. L’acétone obtenue par fermentation ABE en présence de souches Clostridia de type ABE naturelles peut en effet être valorisée lors d’une fermentation IBE au cours de laquelle elle est réduite en isopropanol en présence de souches Clostridia de type IBE naturelles ou génétiquement modifiées.
Description des modes de réalisation
Selon l’invention, une fermentation de type ABE, ou fermentation ABE, est une fermentation utilisant des microorganismes, ou bactéries, qui permettent la conversion de sucres comprenant 5 et/ou 6 atomes de carbone, appelés encore sucres à 5 atomes de carbone (C5) et/ou à 6 atomes de carbone (C6), solubilisés dans une solution aqueuse, en produits fermentaires comprenant un mélange composé majoritairement d’acétone, de n-butanol (produit majoritaire) et d’éthanol. Le mélange peut également comprendre éventuellement de l’isopropanol, co-produit en faibles quantités de sorte qu’il représente au plus 2% poids du poids des produits fermentaires issus de la fermentation ABE.
Selon l’invention, la fermentation de type IBE, ou fermentation IBE, est une fermentation utilisant des microorganismes, ou bactéries, qui permettent la conversion de sucres comprenant 5 et/ou 6 atomes de carbone (sucres en C5 et/ou C6), solubilisés dans une solution aqueuse, en produits fermentaires comprenant un mélange composés majoritairement des alcools isopropanol, n-butanol (produit majoritaire) et éthanol. Le mélange de produits fermentaires peut également comprendre de l’acétone, co-produit à des teneurs représentant généralement au plus 2% poids du poids des produits fermentaires.
Selon l’invention, les « produits fermentaires » sont les solvants produits au cours de la fermentation visée : ils comprennent, de préférence consistent en, un mélange de n-butanol (ou butanol), d’éthanol, d’isopropanol et d’acétone, l’isopropanol étant produit en quantités supérieures à l’acétone lors de la fermentation IBE, l’acétone étant au contraire produite en quantités plus importantes que l’isopropanol lors de la fermentation ABE. Le terme « solvants » peut être utilisé dans la suite et désigne, conformément à l’invention, l’ensemble des composés alcools et cétones produits par fermentation.
Les fermentations ABE et IBE produisent également des gaz fermentaires, contenant en particulier du dioxyde de carbone (CO2) et de l’hydrogène. Selon l’invention, les termes « fermentaire(s) » ou « de fermentation » sont utilisés indifféremment. Par exemple, les « produits fermentaires » sont aussi appelés « produits de fermentation » ; les « gaz fermentaires » sont aussi appelés « produits de fermentation », etc.
Selon l’invention, les microorganismes, appelés aussi bactéries, utilisés dans le double système fermentaire ABE et IBE, sont d’une part des souches issues d’espèces de Clostridium, en particulier d’intérêt industriel, capables de produire un mélange comprenant majoritairement de l’acétone, du n-butanol (ou butanol) et de l’éthanol, appelées « souches ABE », et d’autre part des souches issues d’espèces de Clostridium, en particulier d’intérêt industriel, capables de produire un mélange comprenant majoritairement de l’isopropanol, du n-butanol (ou butanol) et de l’éthanol, appelées « souches IBE ». Le terme « majoritairement » signifie, ici, de préférence au moins 60% poids, poids, préférentiellement au moins 80% poids, de manière préférée au moins 90% poids, des solvants obtenus par la fermentation concernée. Avantageusement, les souches IBE utilisées synthétisent au cours de la fermentation une enzyme spécifique, appelée alcool deshydrogénase secondaire (adh ou sadh), qui permet la réduction de l’acétone en isopropanol en présence d’un co-facteur, le NADPH (Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate), ce co-facteur étant produit par les mêmes microorganismes en présence de sucre comme par exemple le glucose.
La plupart des espèces de Clostridium dites « solvantogènes » peuvent être utilisées. Les bactéries solvantogènes du genre Clostridium peuvent être sélectionnées par exemple parmi les bactéries C. acetobutylicum, C. cellulolyticum, C. phytofermentans, C. beijerinckii, C. diolis, C. puniceum, C. saccharoperbutyiacetonicum, C. botulinum, C. drakei, C. scatologenes C. perfringens, C. tunisiense, C. saccharobutylicum, C. saccharoperbutyiacetonicum, C. sporogenes, C. butyricum, C. aurantibutyricum et C. tyrobutyricum, de manière préférée parmi C. acetobutylicum, C. beijerinckii, C. butyricum, C. tyrobutyricum et C. cellulolyticum, et de manière encore plus préférée parmi C. acetobutylicum et C. beijerinckii. Les microorganismes utilisés dans le double système fermentaire ABE et IBE peuvent être des souches naturelles (ou sauvages) ou génétiquement modifiées. Une souche génétiquement modifiée correspond à une souche dont le matériel génétique (ADN) a été modifiée par rapport à une souche initiale. Les modifications génétiques sont réalisées à l’aide d’outils génétiques bien connus de l’homme du métier (cf. Pyne et al. Biotech Adv 2014 32(3):623-41 ; Wasels et al. J. Microbiol Methods 2017 140:5-11). Les modifications génétiques peuvent correspondre à des modifications du propre contenu génomique de la souche employée ou encore à l’intégration d’un (ou plusieurs) matériel(s) génétique(s), c’est-à-dire fragment(s) d’ADN contenant un ou plusieurs éléments génétiques (promoteur, gène, terminateur, structure régulatrice, etc.), permettant d’améliorer les performances des souches de Clostridium utilisé dans le procédé. Les souches sauvages peuvent subir naturellement des mutations ponctuelles au sein de leur matériel génétique (c’est-à-dire au sein de leur ADN) qui n’affectent pas leurs performances fermenta ires.
De manière préférée, le microorganisme utilisé dans le système fermentaire du procédé selon l’invention et permettant la fermentation ABE, c’est-à-dire la bactérie ABE (ou souche ABE) utilisée dans le double système fermentaire du procédé selon l’invention, est la bactérie C. acetobutylicum, en particulier la souche DSM 792 (également désignée souche ATCC 824 ou encore LMG 5710) de C. acetobutylicum, et/ou la bactérie C. beijerinckii, en particulier la souche NCI MB 8052 de C. beijerinckii.
Et de manière très préférée, le microorganisme utilisé dans le système fermentaire du procédé selon l’invention et permettant la fermentation IBE, c’est-à-dire la bactérie IBE (ou souche IBE) utilisée dans le double système fermentaire du procédé selon l’invention, est une bactérie capable de produire avantageusement naturellement de l’isopropanol, en particulier capable d’effectuer une fermentation IBE à l’état sauvage, et plus particulièrement une bactérie choisie parmi les bactéries C. beijerinckii, de préférence de un sous-clade sélectionné parmi DSM 6423, LMG 7814, LMG 7815, NRRL B-593, NCCB 27006 ; une bactérie C. aurantibutyricum, de préférence de souche DSZM 793 ou ATCC 17777, et un sous-clade d’une telle bactérie C. beijerinckii ou C. aurantibutyricum présentant au moins 90%, 95%, 96%, 97%, 98% ou 99% d’identité avec la souche DSM 6423 ; la bactérie C. beijerinckii de sous-clade DSM 6423 étant particulièrement préférée.
Selon l’invention, un « bioréacteur », également désigné par « fermenteur », est un équipement de propagation de microorganismes fermentaires capables de produire des molécules d’intérêt (solvants ou autres composés organiques). Une fermentation en bioréacteur permet ainsi, en présence de sucres en C5 et/ou C6, une croissance du microorganisme utilisé, avec un contrôle des paramètres-clés comme le pH, l’agitation et la température du milieu de fermentation (ou fermentaire), appelé aussi milieu réactionnel, et la production des solvants visés. Dans le procédé selon l’invention, un bioréacteur ABE désigne un réacteur dans lequel une fermentation ABE est mise en œuvre et un bioréacteur IBE désigne un réacteur dans lequel une fermentation IBE est mise en œuvre. Les étapes de fermentations ABE et IBE selon l’invention consistent donc à faire croître les microorganismes et récupérer des effluents réactionnels comprenant les moûts de fermentation.
Selon l’invention, le volume d’un bioréacteur correspond au volume utile dudit bioréacteur. Selon la présente invention, l’expression « compris entre ... et ... » signifie que les valeurs limites de l’intervalle sont incluses dans la gamme de valeurs décrite. Si tel n’était pas le cas et que les valeurs limites n’étaient pas incluses dans la gamme décrite, une telle précision sera apportée par la présente invention.
Dans le sens de la présente invention, les différents plages de paramètres pour une étape donnée telles que les plages de pression et de température peuvent être utilisées seules ou en combinaison. Par exemple, dans le sens de la présente invention, une plage de valeurs préférées de pression peut être combinée avec une plage de valeurs de température plus préférées.
Dans la suite, des modes de réalisation particuliers et/ou préférés de l’invention peuvent être décrits. Ils pourront être mis en œuvre séparément ou combinés entre eux, sans limitation de combinaison lorsque c’est techniquement réalisable.
L’invention concerne un procédé de production d’alcools comprenant, en particulier consistant en, les étapes suivantes : a. une étape de fermentation ABE met en œuvre une section réactionnelle ABE comprenant au moins un bioréacteur ABE contenant un microorganisme de souche ABE, avantageusement sauvage ou génétiquement modifiée, ladite section réactionnelle ABE étant alimentée au moins par une solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6, pour produire au moins un moût de fermentation ABei, comprenant au moins de l’acétone, du butanol et de l’éthanol ; b. éventuellement une étape d’extraction intermédiaire de l’acétone, comprenant une section d’extraction alimentée au moins par le moût de fermentation ABei obtenu à l’issue de l’étape a), pour produire au moins un flux acétone (A) et un flux aqueux d’alcools, comprenant au moins le butanol et l’éthanol, ladite étape d’extraction intermédiaire étant de préférence intégrée au procédé ; c. une étape de fermentation IBE mettant en œuvre une section réactionnelle IBE comprenant au moins un bioréacteur IBE contenant un microorganisme de souche IBE avantageusement sauvage ou génétiquement modifiée, ladite section réactionnelle IBE étant alimentée par un flux d’alimentation FIBE comprenant au moins une solution aqueuse SIBE de sucres en C5 et/ou C6 et un flux solvant qui comprend au moins de l’acétone, ledit flux solvant étant avantageusement composé (i) du moût de fermentation ABei issu directement de l’étape a) auquel est éventuellement ajouté un flux acétone recyclé, ou (ii) du flux acétone (A) obtenu à l’étape b) lorsque ladite étape b) est intégrée au procédé de la présente invention, les débits de la solution aqueuse SIBE et du flux solvant qui comprend au moins de l’acétone étant ajustés de sorte que la concentration en acétone dans le flux d’alimentation FIBE est inférieure ou égale à 10 g/L, de préférence inférieure ou égale à 5 g/L, préférentiellement inférieure ou égale à 2 g/L, et avantageusement supérieure strictement à 0, de préférence supérieure ou égale à 0,01 g/L, préférentiellement supérieure ou égale à 0,1 g/L, pour produire au moins un moût de fermentation IBea, comprenant au moins de l’isopropanol, du butanol et de l’éthanol.
Solutions aqueuses de sucres
Le procédé selon l’invention est alimenté :
- dans l’étape a), par une solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6 ;
- dans l’étape c), par une solution aqueuse SIBE de sucres en C5 et/ou C6.
Les sucres en C5 et/ou C6 sont des sucres comprenant 5 atomes de carbone (C5) et/ou 6 atomes de carbone (C6). Ils peuvent avoir différentes origines. Les solutions aqueuses de sucres en C5 et/ou C6 utilisées dans le procédé selon l’invention proviennent avantageusement du traitement de sources renouvelables. Ces sources renouvelables peuvent être du type biomasse lignocellulosique qui comprend notamment les substrats ligneux (feuillus et résineux), les sous-produits de l’agriculture (paille) ou ceux des industries génératrices de déchets lignocellulosiques (industries agroalimentaires, papeteries). Les solutions aqueuses de sucres en C5 et/ou C6 peuvent également être obtenues à partir de plantes sucrières, comme par exemple la betterave sucrière et la canne à sucre, ou encore à partir de plantes amylacées comme le maïs ou le blé.
Tout sucre en C5 naturellement présent dans les différentes biomasses lignocellulosiques (mono- ou dicotylédones) utilisés pour la production de biocarburant par voie biologique peut être fermenté par le procédé selon l'invention. De préférence, les sucres en C5 sont choisis parmi le xylose et l’arabinose. Tout sucre en C6 peut également être fermenté par le procédé selon l'invention. De préférence, les sucres en C6 sont choisis parmi le glucose, la mannose, le galactose. De manière plus préférée, le sucre en C6 est le glucose.
Selon l’invention, les sucres en C5 et/ou C6 sont solubilisés dans lesdites solutions aqueuses de sucres SABE et SIBE, qui sont de préférence sous forme liquide. Avantageusement, la concentration en sucres C5 et/ou C6 desdites solutions aqueuses de sucres SABE et SIBE est comprise entre 1 à 900 g/L, de préférence entre 10 et 600 g/L, préférentiellement entre 20 et 500 g/L, de manière très préférée entre 25 et 150 g/L. Les concentrations en sucres des deux solutions aqueuses de sucres en C5 et/ou C6, SABE et SIBE, sont identiques ou différentes. De préférence, la concentration en sucres de la solution ABE est supérieure à celle d’IBE. Etape a) de fermentation ABE
Conformément à l’invention, le procédé de production d’alcools comprend une étape a) mettant en œuvre une section réactionnelle ABE comprend au moins un bioréacteur ABE dans lequel (ou lesquels) une fermentation de type ABE est mise en œuvre en présence d’un microorganisme de souche ABE avantageusement sauvage ou génétiquement modifiée. Ladite section réactionnelle ABE est alimentée au moins par, de préférence uniquement par, une solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6, pour produire au moins un moût de fermentation ABei.
Avantageusement, ledit moût de fermentation ABei obtenu comprend au moins de l’acétone, du butanol et de l’éthanol. Ledit moût de fermentation ABei peut éventuellement comprendre de l’isopropanol, en particulier à une teneur faible avantageusement inférieure ou égale à 2% poids par rapport au poids total de l’ensemble des solvants acétone, butanol, éthanol et isopropanol produits. Le moût de fermentation ABei comprend également avantageusement de l’eau. Il peut également contenir éventuellement de la matière solide, qui peut être soutirée directement du bioréacteur, de préférence par gravitation dans la zone de fond du bioréacteur ABE.
Ladite section réactionnelle ABE peut comprendre un ou plusieurs bioréacteurs ABE, de préférence au moins deux, préférentiellement au moins cinq bioréacteurs ABE. Avantageusement, ladite section réactionnelle ABE dans l’étape a) comprend au plus trente bioréacteurs ABE, de préférence au plus vingt bioréacteurs ABE, préférentiellement au plus dix bioréacteurs ABE. Chaque bioréacteur ABE contient ledit microorganisme de souche ABE, avantageusement sauvage ou génétiquement modifiée. Lorsque la section réactionnelle IBE comprend plusieurs bioréacteurs, les bioréacteurs fonctionnent avantageusement en parallèle.
Ladite section réactionnelle ABE est alimentée par une solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6. Avantageusement, ladite solution aqueuse SABE a une concentration en sucres C5 et/ou C6 comprise entre 1 et 900 g/L, de préférence entre 10 et 600 g/L, préférentiellement entre 20 et 500 g/L, de manière très préférée entre 25 et 150 g/L. Lorsque ladite section réactionnelle ABE comprend plusieurs bioréacteurs ABE, ladite solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6 peut être divisée en autant de flux d’alimentation en solution aqueuse de sucres que de bioréacteurs présents dans ladite section réactionnelle. Avantageusement, la fermentation ABE mise en œuvre dans la section réactionnelle de l’étape a) est réalisée à une température comprise entre 25 et 40°C, de préférence entre 30 et 37°C, de manière préférée à 34°C. De préférence, la fermentation est mise en œuvre à un pH compris entre 4,0 et 7,0, de préférence entre 4,5 et 6,0. Avantageusement, la section réactionnelle de l’étape a) est opérée à pression atmosphérique.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, la fermentation ABE peut être mise en œuvre en mode discontinu, encore appelé mode « batch » selon le terme anglo-saxon consacré, c’est-à-dire avec une alimentation initiale et sans alimentation intermédiaire et/ou sans alimentation continue en solution aqueuse SABE de sucres C5 et/ou C6. En d’autres termes, dans ce mode de réalisation, la fermentation ABE est mise en œuvre dans le (ou les) bioréacteur(s) ABE avantageusement fermé(s) pour la phase liquide (mais ouvert pour la phase gaz sortante). De préférence, la fermentation ABE est mise en œuvre en mode batch pendant une durée comprise entre 30 et 150 heures, qui correspond avantageusement à la durée d’un lot ABE. De préférence, le volume utile du (des) bioréacteur(s) ABE est compris entre 10 et 500 m3. La quantité de solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6, de préférence à une concentration en sucres C5 et/ou C6 comprise entre 30 g/L et 90 g/L et en particulier entre 40 g/L et 60 g/L, introduit initialement dans le (ou chaque) bioréacteur ABE, correspond à la moitié du volume utile du bioréacteur considéré, et correspond avantageusement au milieu fermentaire dudit bioréacteur. La quantité de microorganismes introduite par lot (par « batch ») et par bioréacteur ABE correspond à un volume d’un milieu de culture des cellules (ou bactéries) au taux de croissance maximal et de sorte que ledit volume du milieu de culture est compris entre 2 et 10% du volume du milieu fermentaire (ou volume réactionnel). Une agitation continue est maintenue pour homogénéiser le milieu réactionnel dans chaque bioréacteur ABE.
Selon un second mode de réalisation particulier de l’invention, la fermentation ABE peut être mise en œuvre en mode « semi-continu », ou « fed-batch » selon le terme anglo-saxon consacré. Dans ce mode de réalisation, la solution aqueuse SABE de sucres est avantageusement introduit dans le(les) bioréacteur(s) ABE pour une partie en début de lot et pour une autre partie est ajoutée au fur et à mesure du lot dans le(les) bioréacteur(s) ABE. Un lot désigne, selon les connaissances de l’homme du métier, avantageusement le temps de mise en œuvre de la fermentation entre deux vidanges du(ou des) bioréacteur(s) et les opérations qui se déroulent pendant ce temps. Un lot dure de préférence entre 20 et 200 heures, préférentiellement entre 30 et 150 heures. De préférence, le volume utile du (des) bioréacteur(s) ABE est compris entre 10 et 500 m3. De préférence, le (ou chaque) bioréacteur ABE est initialement alimenté par une quantité de solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6, de manière préférée à concentration en sucres comprise entre 30 g/L et 90 g/L, de préférence entre 40 g/L et 60 g/L, qui correspond à un volume de préférence égal à la moitié du volume utile du (de chaque) bioréacteur ABE. Au cours de la fermentation, chaque bioréacteur ABE est alimenté, avantageusement en continu ou par puise, par une solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6, de préférence à une concentration en sucres comprise entre 500 et 800 g/L, à un débit compris avantageusement entre 10 et 5000 L/h, de préférence entre 20 et 2500 L/h. La quantité de microorganismes de souche ABE, avantageusement sauvage ou génétiquement modifiée, introduite par lot et par bioréacteur ABE, correspond à un volume d’un milieu de culture des cellules (ou bactéries) au taux de croissance maximal et de sorte que ledit volume du milieu de culture est compris entre 2 et 10% du volume du milieu fermentaire (ou volume réactionnel). Une agitation continue est maintenue pour homogénéiser le milieu réactionnel, dans chaque bioréacteur ABE. Un soutirage du butanol produit, sous forme liquide ou gaz, en continu ou par puise, peut alors être mis en œuvre dans chaque réacteur ABE, l’objectif de cette technique étant d’éliminer le butanol, toxique aux microorganismes, au fur et à mesure qu’il est produit par la souche. Cette technique est appelée ISPR pour In Situ Product Recovery selon le terme anglo-saxon et est bien connue de l’Homme de métier (cf. Outram V. et al. « A comparison of the energy use of in situ product recovery techniques for the Acetone Butanol Ethanol fermentation » Bioresource Technology, 2016, 220, 590-600).
Lorsque la fermentation ABE est mise en œuvre en mode discontinu (ou batch) ou en mode semi-continu (ou fed-batch), les termes « flux » désignent les quantités introduites ou sortant du(ou des) bioréacteur(s) ABE, par lot.
Selon un troisième mode de réalisation particulier de l’invention, la fermentation ABE peut être mise en œuvre en mode « continu simple » appelé encore mode continu avec cellules libres. Le (ou les) bioréacteur(s) ABE est(sont) alors alimenté(s) en continu par la solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6, à une concentration avantageusement comprise entre 1 à 900 g/L, préférentiellement entre 10 et 600 g/L, de manière préférée entre 20 et 500 g/L, et de manière très préférée entre 25 et 150 g/L. Le débit d’alimentation en ladite solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6 est ajusté de sorte que le taux de dilution dans le (ou les) bioréacteur(s) ABE, exprimé en h 1 et correspondant à l’inverse du temps de séjour (c’est-à- dire au débit de ladite solution aqueuse SABE divisé par le volume utile des bioréacteurs), comme bien connu de l’homme du métier, est compris entre 0,01 et 0,05 h 1, de préférence entre 0,0125 et 0,033 h 1. Avantageusement, dans le cas d’une fermentation mise en œuvre en mode continu simple, la concentration en microorganisme dans le milieu réactionnel, appelé encore milieu de fermentation, est comprise entre 108 et 1011 cellules/mL de milieu réactionnel, de préférence entre 109 et 101° cellules/ml_ de milieu réactionnel. Une agitation continue du milieu réactionnel dans le (ou les) bioréacteur(s) ABE est avantageusement maintenue pour homogénéiser ledit milieu réactionnel. Dans ce mode de réalisation, les microorganismes et les produits formés sont soutirés, en continu ou par puise, du (ou des) bioréacteur(s) ABE. Une technique ISPR, comme décrite ci-avant, peut en outre être appliquée pour éliminer le butanol, toxique pour les bactéries.
Selon un quatrième mode de réalisation particulier de l’invention, la fermentation ABE peut être mise en œuvre en mode continu « supporté », appelé encore mode continu confiné ou mode continu avec immobilisation cellulaire. Les microorganismes forment alors un film, ou biofilm, sur un support solide, par exemple composé d’un matériau inorganique poreux, comme des argiles, d’une mousse métallique, d’une mousse polymérique, en particulier une mousse polyuréthane, la mousse polyuréthane étant préférée (cf. FR 3 086670). Avantageusement, dans le cas d’une fermentation ABE mise en œuvre en mode continu supporté, la concentration en microorganisme est comprise entre 107 et 101° cellules/cm3 de support solide, de préférence entre 108 et 109 cellules/cm3 de support solide. Le support solide inoculé, c’est-à-dire le support solide contenant le biofilm de microorganisme, de préférence la mousse polyuréthane inoculée, est alors placé dans le (ou chaque) bioréacteur ABE, de sorte que le volume de support solide inoculé représente de préférence entre 1 et 50% du volume utile du bioréacteur ABE, de manière préférée entre 5 et 30% du volume utile du bioréacteur ABE. Le (ou les) bioréacteur(s) ABE est(sont) alors alimenté(s) en continu par la solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6, à une concentration avantageusement comprise entre 1 à 900 g/L, préférentiellement entre 10 et 600 g/L, de manière préférée entre 20 et 500 g/L, et de manière très préférée entre 25 et 150 g/L. Le débit d’alimentation du (ou des) bioréacteur(s) ABE en ladite solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6 est ajusté de sorte que le taux de dilution, exprimé en h 1 et correspondant à l’inverse du temps de séjour (c’est-à-dire au débit de ladite solution aqueuse SABE divisé par le volume utile des bioréacteurs), comme bien connu de l’homme du métier, est compris entre 0,01 et 0,40 h 1, de préférence entre 0,015 et 0,30 h 1, de manière préférée entre 0,02 et 0,20 h 1. Une agitation continue du milieu réactionnel dans le (ou les) bioréacteur(s) ABE est avantageusement maintenue pour homogénéiser ledit milieu réactionnel. Dans ce mode de réalisation, les microorganismes et les produits formés sont soutirés, en continu ou par puise, du (ou des) bioréacteur(s) ABE. Une technique ISPR, comme décrite ci-avant, peut en outre être appliquée pour éliminer le butanol, toxique pour les bactéries.
De manière préférée, la fermentation ABE dans l’étape a) est mise en œuvre en mode continu simple ou continu avec immobilisation cellulaire, et préférentiellement en mode continu avec immobilisation cellulaire.
Avantageusement, ladite fermentation ABE mise en œuvre dans l’étape a) produit, outre le moût de fermentation ABei, des gaz de fermentation comprenant en particulier du dioxyde de carbone (CO2) et de l’hydrogène. Les gaz de fermentation sont séparés du moût ABei de fermentation dans une zone de séparation, située en sortie de bioréacteur ou dans la partie supérieure du fermenteur qui comprend un système d’évacuation des gaz.
Le moût de fermentation ABei obtenu est évacué du ou des bioréacteur(s) ABE par un système de conduits. Lorsque la section réactionnelle ABE comprend plusieurs bioréacteurs ABE, c’est-à-dire au moins deux bioréacteurs ABE, ledit système de conduits permet également le mélange de l’ensemble des moûts de fermentation ABei produits par les différents bioréacteurs ABE de la section réactionnelle ABE, le moût fermentaire ABei obtenu à l’issue de l’étape a) correspondant ainsi à l’ensemble des moûts fermentaires produits dans l’ensemble des bioréacteurs ABE de la section réactionnelle ABE.
A l’issue de l’étape a), le moût de fermentation ABei obtenu est transféré directement vers l’étape c) ou éventuellement vers l’étape b). De préférence, le moût de fermentation ABei obtenu à l’issue de l’étape a) alimente la section d’extraction mise en œuvre dans l’étape b).
Etape b) éventuelle d’extraction intermédiaire
Le procédé de production d’alcools peut comprendre, de préférence comprend, une étape b) d’extraction intermédiaire de l’acétone, pour produire au moins un flux acétone (A) et un flux aqueux d’alcools.
Ladite étape b) éventuelle comprend une section d’extraction qui est alimentée au moins par le moût de fermentation ABei obtenu à l’issue de l’étape a). Dans un mode de réalisation particulier de l’invention, ladite section d’extraction peut également être alimentée par le moût de fermentation IBea obtenu à l’issue de l’étape c).
La séparation du flux acétone (A) du flux aqueux d’alcools peut être opérée selon toute méthode connue de l’Homme du métier, comme par exemple par distillation(s), fractionnement(s), etc. De préférence, la section d’extraction de l’étape b) met en œuvre une succession de distillations. Ainsi dans un mode de réalisation préféré, l’étape b) éventuelle met en œuvre dans ladite section d’extraction : b-1) une première distillation, en particulier du moût de fermentation ABei éventuellement en mélange avec le moût de fermentation IBea, avantageusement issu de l’étape c), dans une colonne à bière pour obtenir en fond de ladite colonne à bière un flux d’eau et en tête de colonne à bière un mélange aqueux de solvants, et b-2) une deuxième distillation du mélange aqueux de solvants dans une colonne de distillation, pour obtenir en tête de colonne ledit flux acétone et en fond de colonne ledit flux aqueux d’alcools.
Le mélange aqueux de solvants extrait en tête de la colonne à bière de l’étape b-1) de ce mode de réalisation préféré comprend de l’eau, du n-butanol (nommé encore butanol selon l’invention), de l’acétone, de l’éthanol et éventuellement de l’isopropanol. Ladite colonne à bière de l’étape b-1) peut avantageusement être équipée d’un système de rebouillage, de préférence par recompression des vapeurs de tête.
Le mélange aqueux de solvants, extrait en tête de la colonne à bière de l’étape b-1) du mode de réalisation préféré, est ensuite envoyé dans une colonne de distillation, appelé encore « colonne à acétone ». Le rôle de la colonne à acétone de l’étape b-2) est de séparer l'acétone des alcools, l'acétone étant extrait en tête de la colonne à acétone et ledit flux aqueux d’alcools étant soutiré en fond de ladite colonne à acétone.
Avantageusement, le flux acétone (A) obtenu à l’issue de l’étape b) éventuelle présente une concentration en acétone supérieure ou égale à 95% poids, de préférence supérieure ou égale à 98% poids, de manière préférée supérieure ou égale à 99,5% poids par rapport au poids dudit flux acétone. Ledit flux aqueux d’alcools obtenu à l’issue de l’étape b) éventuelle comprend, quant à lui, de l’eau et un mélange d’alcools, lesdits alcools étant ceux avantageusement produits lors de la fermentation ABE ou des fermentations ABE et IBE, en particulier le n-butanol (nommé butanol), l’éthanol et éventuellement l’isopropanol.
De préférence, ledit flux aqueux d’alcools obtenu à l’issue de l’étape b) éventuelle pourra ensuite être éventuellement traité dans une étape supplémentaire de séparation des alcools. Ladite étape supplémentaire de séparation des alcools comprendra une colonne de distillation, alimentée par ledit flux aqueux d’alcools issu de l’étape b) du procédé, pour séparer au moins un effluent butanol et un effluent hydroalcoolique comprenant l’éthanol et éventuellement l’isopropanol. Etape c) de fermentation IBE
Conformément à l’invention, le procédé de production d’alcools comprend une étape c) mettant en œuvre une section réactionnelle IBE comprenant au moins un bioréacteur IBE dans lequel est opérée une fermentation de type IBE en présence d’un microorganisme de souche IBE avantageusement sauvage ou génétiquement modifiée. Ladite section réactionnelle IBE est alimentée par un flux d’alimentation FIBE comprenant, de préférence consistant en, une solution aqueuse SIBE de sucres en C5 et/ou C6 et un flux solvant qui comprend de l’acétone, pour produire au moins un moût de fermentation IBea. Avantageusement, le flux solvant est composé : (i) lorsque le procédé ne comprend pas d’étape b) d’extraction intermédiaire d’acétone, au moins dudit moût de fermentation ABei issu directement de l’étape a), ou (ii) lorsque le procédé comprend une étape b) d’extraction intermédiaire d’acétone, au moins dudit flux acétone (A) obtenu à l’issue de l’étape b).
Avantageusement, ledit moût de fermentation IBea obtenu à l’étape c) comprend au moins de l’isopropanol, du butanol et de l’éthanol. Ledit moût de fermentation IBea peut également comprendre éventuellement de l’acétone, en particulier à une teneur avantageusement inférieure ou égale à 2% poids par rapport au poids total de l’ensemble des solvants isopropanol, butanol, éthanol et acétone produits. Avantageusement, le moût de fermentation IBea comprend en outre de l’eau. Le procédé selon l’invention peut alors éventuellement comprendre en outre une étape de séparation pour traiter le moût IBea et séparer au moins un effluent acétone, contenant l’acétone éventuellement co-produit lors de la fermentation IBE, et un effluent alcools comprenant l’isopropanol, le butanol et l’éthanol produits. Ledit effluent acétone, séparé dans ladite étape éventuelle de séparation, peut alors constituer un flux acétone recyclé qui peut éventuellement être transféré vers la section réactionnelle IBE de l’étape c) pour alimenter le (ou les) bioréacteur(s) IBE, constituant ainsi avantageusement au une partie du flux solvant. Le moût de fermentation IBea peut également contenir éventuellement de la matière solide, qui peut être soutirée directement du bioréacteur, de préférence par gravitation dans la zone de fond du bioréacteur IBE.
Ladite section réactionnelle IBE peut comprendre un ou plusieurs bioréacteurs IBE, de préférence au moins deux, préférentiellement au moins cinq bioréacteurs IBE. Avantageusement, ladite section réactionnelle IBE comprend au plus trente bioréacteurs IBE, de préférence au plus vingt bioréacteurs IBE, préférentiellement au plus dix bioréacteurs IBE. Chaque bioréacteur IBE contient ledit microorganisme de souche IBE, avantageusement sauvage ou génétiquement modifiée. Lorsque la section réactionnelle IBE comprend plusieurs bioréacteurs, les bioréacteurs fonctionnent avantageusement en parallèle.
Ladite section réactionnelle IBE est alimentée par un flux d’alimentation FIBE comprenant, de préférence consistant en, une solution aqueuse SIBE de sucres en C5 et/ou C6 et un flux solvant comprenant de l’acétone, ledit flux solvant étant avantageusement composé au moins (i) du moût de fermentation ABei issu directement de l’étape a), auquel est éventuellement ajouté un flux acétone recyclé, ou (ii) du flux acétone (A) obtenu à l’issue de l’étape b) lorsqu’elle est intégrée au procédé, auquel est éventuellement ajouté un flux acétone recyclé. Dans le cas où le procédé comprend une étape b) d’extraction intermédiaire de l’acétone, selon un mode de réalisation de l’invention, comme décrit ci-dessus, le flux acétone (A) peut comprendre l’acétone issu du moût de fermentation ABei produit lors de l’étape a) de fermentation ABE et l’acétone issu du moût de fermentation IBea co-produit lors de l’étape c) de fermentation IBE. Eventuellement, le flux solvant peut également contenir un flux acétone exogène issu d’un issu d’au moins un procédé autre que le procédé selon l’invention. Ledit flux d’acétone exogène peut provenir, au moins en partie, d’un autre procédé de fermentation ou d’un procédé « chimique » c’est-à-dire ne mettant en œuvre aucune fermentation. Dans ce dernier cas, l’acétone produit par le procédé chimique est directement biocompatible, c’est-à- dire ne contient pas de composés chimiques inhibiteurs de la croissance des microorganismes utilisés dans l’étape c) du procédé selon l’invention, ou est traité préalablement à son introduction dans la section réactionnelle de l’étape c) pour le rendre biocompatible.
Ainsi, le flux d’alimentation F|BE qui alimente la section réactionnelle IBE comprend, de préférence consiste en :
- une solution aqueuse SIBE de sucres en C5 et/ou C6, ledit moût de fermentation ABei issu directement de l’étape a), éventuellement un flux acétone recyclé et optionnellement un flux d’acétone exogène, lorsque le procédé ne comprend pas d’étape b) d’extraction intermédiaire d’acétone permettant de traiter au moins le moût de fermentation ABei issu de l’étape a), ou
- une solution aqueuse SIBE de sucres en C5 et/ou C6 et ledit flux acétone (A) obtenu à l’issue de l’étape b), éventuellement un flux acétone recyclé et optionnellement un flux d’acétone exogène, lorsque le procédé comprend une étape b) d’extraction intermédiaire d’acétone. Avantageusement, ladite solution aqueuse SIBE de sucres en C5 et/ou C6 qui compose en partie le flux d’alimentation FIBE de la section réactionnelle IBE a une concentration en sucres C5 et/ou C6 comprise entre 1 et 900 g/L, de préférence entre 10 et 600 g/L, préférentiellement entre 20 et 500 g/L, de manière très préférée entre 25 et 150 g/L. La solution aqueuse SIBE, qui apporte le sucre nécessaire aux microorganismes pour se développer et assurer la fermentation, permet avantageusement de diluer dans le flux d’alimentation FIBE l’acétone apporté par le flux solvant. Selon l’invention, les débits de la solution aqueuse SIBE et du flux solvant comprenant de l’acétone sont ajustés de sorte que la concentration en acétone dans le flux d’alimentation F|BE est inférieure ou égale à 10 g/L, de préférence inférieure ou égale à 5 g/L, préférentiellement inférieure ou égale à 2 g/L, et avantageusement supérieure strictement à 0, de préférence supérieure ou égale à 0,01 g/L, préférentiellement supérieure ou égale à 0,1 g/L. La solution aqueuse SIBE permet également avantageusement de diluer, le cas échéant, le butanol dans le flux d’alimentation FIBE, lorsque le flux solvant comprend le moût de fermentation ABei issu de l’étape a), c’est-à-dire lorsque le procédé ne comprend pas d’étape b) d’extraction intermédiaire. De préférence, la concentration en butanol dans le flux d’alimentation FIBE est inférieure ou égale à 15 g/L, préférentiellement inférieure ou égale à 12 g/L..
Ainsi, les sections réactionnelles ABE et IBE sont avantageusement dimensionnée l’une par rapport à l’autre, par toutes méthodes connues, en particulier en terme de nombre de bioréacteurs, de volume utile total du(ou des) bioréacteur(s), des débits et concentrations des solutions aqueuses de sucres SABE et SIBE, de choix des microorganismes ABE et IBE, etc., de manière à répondre en particulier aux exigences de concentration en acétone du flux d’alimentation FIBE de la section réactionnelle IBE, inférieure ou égale à 10 g/L, de préférence inférieure ou égale à 5 g/L, préférentiellement inférieure ou égale à 2 g/L, et avantageusement supérieure strictement à 0, de préférence supérieure ou égale à 0,01 g/L, préférentiellement supérieure ou égale à 0, 1 g/L. L’Homme du métier saura ainsi avantageusement dimensionner la section réactionnelle ABE par rapport à la section réactionnelle IBE pour produire un moût de fermentation ABei comprenant une quantité d’acétone permettant de respecter une concentration en acétone maximum dans l’alimentation de la section réactionnelle IBE de 10 g/L, de préférence 5 g/L, préférentiellement 2 g/L, et avantageusement supérieure strictement à 0, de préférence supérieure ou égale à 0,01 g/L, préférentiellement supérieure ou égale à 0,1 g/L. Par exemple, dans le cas d’une section réactionnelle IBE fonctionnant en continu supporté, l’Homme du métier saura ainsi dimensionner la section réactionnelle ABE pour produire un moût contenant une quantité d’acétone ajustée de manière à respecter une concentration d’acétone dans le flux d’alimentation FIBE inférieure ou égale à 10g/L.
Lorsque la section réactionnelle IBE comprend plusieurs bioréacteurs IBE, ledit flux d’alimentation FIBE peut être divisé très avantageusement en autant de sous-flux d’alimentation que de bioréacteurs présents dans ladite section réactionnelle. Avantageusement, la fermentation IBE mise en œuvre dans la section réactionnelle IBE de l’étape c) est réalisée à une température comprise entre 25 et 40°C, de préférence entre 30 et 37°C, de manière préférée à 34°C. De préférence, la fermentation est mise en œuvre à un pH compris entre 4,0 et 7,0, de préférence entre 4,5 et 6,0. Avantageusement, la section réactionnelle IBE de l’étape c) est opérée à pression atmosphérique.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, la fermentation IBE peut être mise en œuvre en mode discontinu, encore appelé mode « batch » selon le terme anglo-saxon consacré, c’est-à-dire avec une alimentation initiale et sans alimentation intermédiaire et/ou sans alimentation continue en flux d’alimentation FIBE. En d’autres termes, dans ce mode de réalisation, la fermentation IBE est mise en œuvre dans le (ou les) bioréacteur(s) IBE avantageusement fermé(s) pour la phase liquide (mais ouvert pour la phase gaz sortante), pendant un lot IBE, c’est-à-dire entre deux vidanges du(ou des) bioréacteur(s), soit avantageusement une durée comprise entre 30 et 150 heures. De préférence, le volume utile du (des) bioréacteur(s) IBE est compris entre 10 et 500 m3. La quantité de flux d’alimentation FIBE, comprenant avantageusement une solution aqueuse SŒ de sucres en C5 et/ou C6, de préférence à une concentration en sucres C5 et/ou C6 comprise entre 30 g/L et 90 g/L et en particulier entre 40 g/L et 60 g/L, introduit initialement dans le (ou chaque) bioréacteur IBE, correspond à la moitié du volume utile du bioréacteur considéré, et correspond avantageusement au milieu fermentaire dudit bioréacteur. La quantité de microorganismes introduite par lot (par « batch ») et par bioréacteur IBE correspond à un volume d’un milieu de culture des cellules (ou bactéries) au taux de croissance maximal et de sorte que ledit volume du milieu de culture est compris entre 2 et 10% du volume du milieu fermentaire (ou volume réactionnel). Une agitation continue est maintenue pour homogénéiser le milieu réactionnel dans chaque bioréacteur IBE.
Selon un second mode de réalisation particulier de l’invention, la fermentation IBE peut être mise en œuvre en mode « semi-continu », ou « fed-batch » selon le terme anglo-saxon consacré. Dans ce mode de réalisation, le flux d’alimentation FIBE est avantageusement introduit dans le(les) bioréacteur(s) IBE pour une partie en début de lot et pour une autre partie est ajouté au fur et à mesure du lot dans le(les) bioréacteur(s) IBE. Un lot désigne, selon les connaissances de l’homme du métier, avantageusement le temps de mise en œuvre de la fermentation entre deux vidanges du(ou des) bioréacteur(s) et les opérations qui se déroulent pendant ce temps. Un lot dure de préférence entre 20 et 200 heures, préférentiellement entre 30 et 150 heures. De préférence, le volume utile du (des) bioréacteur(s) IBE est compris entre 10 et 500 m3. De préférence, le (ou chaque) bioréacteur IBE est initialement alimenté par une quantité de flux d’alimentation FIBE, comprenant avantageusement une solution aqueuse SŒ de sucres en C5 et/ou C6, de manière préférée à concentration en sucres comprise entre 30 g/L et 90 g/L, de préférence entre 40 g/L et 60 g/L, ladite quantité de flux d’alimentation FIBE, introduit initialement correspondant à un volume de préférence égal à la moitié du volume utile du (de chaque) bioréacteur IBE. Au cours de la fermentation, chaque bioréacteur IBE est alimenté, avantageusement en continu ou par puise, par ledit flux d’alimentation FIBE, comprenant avantageusement une solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6, de préférence à une concentration en sucres comprise entre 500 et 800 g/L, le débit du flux d’alimentation FIBE étant compris avantageusement entre 10 et 5000 L/h, de préférence entre 20 et 2500 L/h. La quantité de microorganismes de souche IBE, avantageusement sauvage ou génétiquement modifiée, introduite par lot et par bioréacteur IBE, correspond à un volume d’un milieu de culture des cellules (ou bactéries) au taux de croissance maximal et de sorte que ledit volume du milieu de culture est compris entre 2 et 10% du volume du milieu fermentaire (ou volume réactionnel). Une agitation continue est maintenue pour homogénéiser le milieu réactionnel, dans chaque bioréacteur IBE. Un soutirage du butanol produit, sous forme liquide ou gaz, en continu ou par puise, peut alors être mis en œuvre dans chaque réacteur IBE, l’objectif de cette technique étant d’éliminer le butanol, toxique aux microorganismes, au fur et à mesure qu’il est produit par la souche. Cette technique est appelée ISPR pour In Situ Product Recovery selon le terme anglo-saxon et est bien connue de l’Homme de métier (cf. Outram V. et al. « A comparison of the energy use of in situ product recovery techniques for the Acetone Butanol Ethanol fermentation » Bioresource Technology, 2016, 220, 590-600).
Lorsque la fermentation IBE est mise en œuvre en mode discontinu (ou batch) ou en mode semi-continu (ou fed-batch), les termes « flux » désignent les quantités introduites ou sortant du(ou des) bioréacteur(s) IBE, par lot.
Selon un troisième mode de réalisation particulier de l’invention, la fermentation IBE peut être mise en œuvre en mode « continu simple » appelé encore mode continu avec cellules libres. Le (ou les) bioréacteur(s) IBE est(sont) alors alimenté(s) en continu par le flux d’alimentation FIBE. Le débit d’alimentation en ledit flux d’alimentation FIBE est ajusté de sorte que le taux de dilution dans le (ou les) bioréacteur(s) IBE, exprimé en h 1 et correspondant à l’inverse du temps de séjour (c’est-à-dire au débit dudit le flux d’alimentation FIBE divisé par le volume utile des bioréacteurs), comme bien connu de l’homme du métier, est compris entre 0,01 et 0,05 h- 1, de préférence entre 0,0125 et 0,033 h 1. Avantageusement, dans le cas d’une fermentation mise en œuvre en mode continu simple, la concentration en microorganisme dans le milieu réactionnel, appelé encore milieu de fermentation, est comprise entre 108 et 1011 cellules/mL de milieu réactionnel, de préférence entre 109 et 101° cellules/ml_ de milieu réactionnel. Une agitation continue du milieu réactionnel dans le (ou les) bioréacteur(s) IBE est avantageusement maintenue pour homogénéiser ledit milieu réactionnel. Dans ce mode de réalisation, les microorganismes et les produits formés sont soutirés, en continu ou par puise, du (ou des) bioréacteur(s) IBE. Une technique ISPR, comme décrite ci-avant, peut en outre être appliquée pour éliminer le butanol, toxique pour les bactéries.
Selon un quatrième mode de réalisation particulier de l’invention, la fermentation IBE peut être mise en œuvre en mode continu « supporté », appelé encore mode continu confiné ou mode continu avec immobilisation cellulaire. Les microorganismes forment alors un film, ou biofilm, sur un support solide, par exemple composé d’un matériau inorganique poreux, comme des argiles, d’une mousse métallique, d’une mousse polymérique, en particulier une mousse polyuréthane, la mousse polyuréthane étant préférée (cf. FR 3 086670). Avantageusement, dans le cas d’une fermentation IBE mise en œuvre en mode continu supporté, la concentration en microorganisme est comprise entre 107 et 101° cellules/cm3 de support solide, de préférence entre 108 et 109 cellules/cm3 de support solide. Le support solide inoculé, c’est-à- dire le support solide contenant le biofilm de microorganisme, de préférence la mousse polyuréthane inoculée, est alors placé dans le (ou chaque) bioréacteur IBE, de sorte que le volume de support solide inoculé représente de préférence entre 1 et 50% du volume utile du bioréacteur IBE, de manière préférée entre 5 et 30% du volume utile du bioréacteur IBE. Le (ou les) bioréacteur(s) IBE est(sont) alors alimenté(s) en continu par le flux d’alimentation FIBE- Le débit d’alimentation du (ou des) bioréacteur(s) IBE en ledit flux d’alimentation FIBE est ajusté de sorte que le taux de dilution, exprimé en h 1 et correspondant à l’inverse du temps de séjour (c’est-à-dire au débit dudit le flux d’alimentation FIBE divisé par le volume utile des bioréacteurs), comme bien connu de l’homme du métier, est compris entre 0,01 et 0,40 h 1, de préférence entre 0,015 et 0,30 h 1, de manière préférée entre 0,02 et 0,20 h 1. Une agitation continue du milieu réactionnel dans le (ou les) bioréacteur(s) IBE est avantageusement maintenue pour homogénéiser ledit milieu réactionnel. Dans ce mode de réalisation, les microorganismes et les produits formés sont soutirés, en continu ou par puise, du (ou des) bioréacteur(s) IBE. Une technique ISPR, comme décrite ci-avant, peut en outre être appliquée pour éliminer le butanol, toxique pour les bactéries. De manière préférée, la fermentation IBE dans l’étape c) est mise en œuvre en mode continu simple ou continu avec immobilisation cellulaire, et préférentiellement en mode continu avec immobilisation cellulaire.
Typiquement, ladite fermentation IBE mise en œuvre dans l’étape c) produit en outre des gaz de fermentation comprenant en particulier du dioxyde de carbone (CO2) et de l’hydrogène. Les gaz de fermentation sont avantageusement séparés du moût de fermentation IBea dans une zone de séparation, située en sortie de bioréacteur ou dans la partie supérieure du fermenteur IBE qui comprend un système d’évacuation des gaz.
Le moût de fermentation IBea obtenu par fermentation IBE est évacué du (ou des) bioréacteur(s) IBE par un système de conduits. Lorsque la section réactionnelle IBE comprend plusieurs bioréacteurs IBE, c’est-à-dire au moins deux bioréacteurs IBE, ledit système de conduits permet également le mélange de l’ensemble des moûts de fermentation IBea produits par les différents bioréacteurs IBE de la section réactionnelle IBE, le moût fermentaire IBea obtenu à l’issue de l’étape c) correspondant ainsi à l’ensemble des moûts fermentaires produits dans l’ensemble des bioréacteurs IBE de la section réactionnelle IBE.
Le moût de fermentation IBea peut éventuellement être traité au cours d’une étape de séparation dans une section de séparation, en particulier située en aval de la section réactionnelle IBE de l’étape c), pour séparer au moins un effluent acétone, contenant l’acétone co-produite lors de la fermentation IBE et qui peut éventuellement être recyclé vers la section réactionnelle IBE de l’étape c) pour alimenter le (ou les) bioréacteur(s) IBE, et un effluent alcools comprenant l’isopropanol, le butanol et l’éthanol produits notamment au cours de la fermentation IBE.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, le procédé selon l’invention comprend ladite étape b) d’extraction intermédiaire de l’acétone. Dans ce mode de réalisation, le moût de fermentation IBea obtenu à l’issue de l’étape c) est transféré, de préférence directement, vers ladite étape b) et alimente, en mélange avec le moût de fermentation ABei issu de l’étape a), la section d’extraction de ladite étape b). Ainsi, le moût de fermentation ABei et le moût de fermentation IBea sont traités ensemble et dans la même unité de traitement. Ce mode de réalisation préféré de l’invention a donc l’avantage de mutualiser le traitement des moûts fermentaires pour séparer l’acétone des alcools produits par l’ensemble des deux systèmes fermentaires. Ce mode de réalisation permet ainsi, outre d’utiliser les performances fermentaires des souches ABE et la capacité des souches IBE à transformer l’acétone en isopropanol, afin d’améliorer les rendements et la conversion, de diminuer notamment la consommation énergétique globale du procédé par rapport à un procédé ne proposant pas cette mutualisation de traitement pour un même rendement en alcools. Un autre avantage de ce mode de réalisation particulier réside dans le fait que l’acétone co-produite lors de la fermentation IBE est recyclée et réintroduite dans la section réactionnelle IBE pour être assimilée par les souches IBE et transformée en isopropanol, l’acétone co-produite étant donc valorisée et le rendement en isopropanol augmenté.
Le procédé selon l’invention peut fonctionner en mode continu, discontinu ou semi-continu, comme décrit plus avant. Lorsque le procédé fonctionne en mode discontinu (ou batch) ou en mode semi-continu (ou fed-batch), les termes « flux » désignent les quantités introduites ou sortant du(ou des) bioréacteur(s) ABE et/ou IBE, par lot. De préférence, le procédé fonctionne en mode continu, et de manière préférée en mode continu confiné.
Le procédé selon l’invention permet ainsi de produire, en continu, un moût fermentaire (ou vin) très concentré en alcools, en particulier avec une concentration en isopropanol très élevée par rapport à un procédé de fermentation IBE classique. La présente invention permet en effet d’obtenir de l’isopropanol à la fois par le processus endogène, c’est-à-dire transformation des sucres en C5 et/ou C6, et par conversion de l’acétone issue de la fermentation ABE préalable. La présente invention permet ainsi d’augmenter de façon conséquente la productivité en solvants, et en particulier la productivité en isopropanol, du procédé global, en bénéficiant des performances d’activité des souches ABE en particulier des souches ABE sauvages, c’est-à- dire des performances en termes de croissance bactérienne, de titre du vin (ou moût) obtenu et de la productivité en solvants, et en utilisant la capacité de conversion de l’acétone en isopropanol des souches IBE en particulier des souches IBE sauvages. La présente invention permet également, de façon surprenante, pour obtenir une quantité de solvants produits identique à celle d’un procédé IBE conventionnel, de réduire avantageusement le nombre de fermenteurs nécessaires par rapport audit procédé de fermentation IBE conventionnel. Enfin, la consommation énergétique, en particulier nécessaire à l’étape de séparation des solvants, peut être avantageusement diminuée dans un procédé selon la présente invention par rapport à un procédé de fermentation IBE plus conventionnel.
Les exemples qui suivent sont présentés à titre illustratif et non limitatif du procédé selon l’invention.
Selon l’invention, en particulier dans les exemples, l’unité de poids « tonne » s’écrit « t », l’unité de poids « gramme » s’écrit « g », l’unité de temps « heure » s’écrit « h ». Exemples
Exemple 1 (non conforme)
L’exemple 1 décrit un procédé de production d’IBEa par fermentation IBE en présence d’une une souche IBE sauvage de type DSM 6423 de la bactérie C. beijerinckii, selon l’état de l’art, non conforme à l’invention.
L’usine de production comporte 5 fermenteurs de 500 m3 (soit 400 m3 utiles), opérant en parallèle. Ces 5 fermenteurs opèrent en mode continu confiné et contiennent un microorganisme de souche sauvage IBE de type 6423. Dans le milieu de fermentation, 80 m3 de support inoculé sont introduits dans chacun des fermenteurs et la concentration en microorganisme est comprise entre 108 et 109 cellules/cm3 de support .
Ces 5 fermenteurs sont alimentés par une solution aqueuse de glucose ayant un débit de 378,7 m3/h (soit 378 700 L/h) et une concentration en glucose de 46,9 g/L. Le débit de la solution aqueuse de glucose alimentant les fermenteurs est ajusté de sorte que le taux de dilution dans chaque fermenteur, à savoir l’inverse du temps de séjour, c’est-à-dire le débit de solution sucrée divisé par le volume utile total des fermenteurs, est égal à 0,19 h-1.
La productivité volumique en solvants (isopropanol, butanol, éthanol, acétone) est de 2 g/L/h, c’est-à-dire 2 g d’IBEa par Litre de moût fermentaire et par heure.
Le moût fermentaire issu de ces 5 fermenteurs a une concentration de 10,6 g/L d’IBEa et une teneur en glucose résiduel de 13,9 g/L.
Les moûts fermentaires de ces 5 fermenteurs sont mélangés pour formés un effluent qui est ensuite divisé en trois sous-effluents équivalents pour alimenter 3 autres fermenteurs de 3500 m3 chacun (soit 2800 m3 utiles) opérant en parallèle.
Ces 3 fermenteurs opèrent en continu simple : la concentration en microorganismes de type IBE sauvage est comprise entre 109 et 1010 cellules /mL de milieu réactionnel.
Le moût fermentaire issu des 5 fermenteurs, qui contient également le reste de glucose, alimente également les trois derniers fermenteurs avec le même débit de 378,7 m3/h (soit 378 700 L/h). Le taux de dilution, à savoir l’inverse du temps de séjour (débit de solution aqueuse d’alcools et de glucose divisé par le volume utile total des fermenteurs) est égal à 0,045 h 1.
La productivité volumique en solvants est de 0,2 g IBEa /L/h.
Le moût fermentaire issu de ces 3 derniers fermenteurs a une concentration de 15 g/L d’IBEa et ne contient plus de glucose. Le moût issu de ces trois fermenteurs est envoyé dans une section extraction en aval des trois derniers fermenteurs, comprenant une colonne à bière, qui permet de séparer une solution aqueuse de solvants en tête et de l’eau en fond, puis une colonne acétone qui permet de séparer l’acétone en tête et un mélange isopropanol/ éthanol/ butanol/ eau en fond, puis une colonne qui permet de séparer l’azéotrope isopropanol/eau en tête, qui contient aussi l’éthanol, et un mélange eau / butanol en fond et enfin un système de deux colonnes qui permettent de séparer l’hétéro-azéotrope eau / butanol.
La consommation énergétique de l’ensemble de la section d’extraction est de 5,9 tonnes de vapeur par tonne de solvants produits, soit environ 13 G J par tonne de solvants produits. 50% de l’eau obtenu en fond de la colonne à bière sont recyclés vers la préparation de la solution de glucose alimentant les 5 premiers fermenteurs, le reste est envoyé à la station d’épuration des eaux.
Le tableau 1 ci-dessous présente la production annuelle de l’usine de production de l’Exemple 1 : Tableau 1
Figure imgf000026_0001
Exemple 2 (selon l’invention)
L’exemple 2 décrit un procédé de production d’alcools, selon l’invention, par un double système fermentation ABE-IBE, utilisant une souche ABE sauvage pour la fermentation ABE et une souche IBE sauvage pour la fermentation IBE et la conversion de l’acétone produit lors de la fermentation ABE en isopropanol.
L’usine comporte 2 fermenteurs ABE de 400 m3 utiles chacun, opérant en parallèle. Ces 2 fermenteurs ABE opèrent en mode continu confiné et contiennent un microorganisme de souche ABE sauvage. La concentration en microorganisme ABE sauvage dans le milieu de fermentation, appelé aussi milieu réactionnel, est comprise entre 108 et 109 cellules/cm3 de support ; 80 m3 de support sont introduits dans chacun des fermenteurs ABE. Les 2 fermenteurs ABE sont alimentés par une solution aqueuse de glucose ayant un débit de 177,4 m3/h (soit 177400 L/h) et une concentration en glucose de 71,9 g/L. Le débit de la solution aqueuse de glucose alimentant les fermenteurs ABE est ajusté de sorte que le taux de dilution dans chaque fermenteur ABE, à savoir l’inverse du temps de séjour, c’est-à-dire le débit de solution sucrée divisé par le volume utile total des fermenteurs ABE, est égal à 0,22 h 1.
La productivité volumique en solvants ABEi (acétone, butanol, éthanol, isopropanol) est de 3 g ABEi /L/h (c’est-à-dire 3 g d’ABEi par Litre de solution aqueuse de glucose par heure).
Le moût fermentaire issu de ces 2 fermenteurs ABE a une concentration de 13,5 g/L d’ABEi et une teneur en glucose résiduel de 29,6 g/L.
Les moûts fermentaires de ces 2 fermenteurs ABE sont mélangés en un effluent pour alimenter deux autres fermenteurs ABE, dits de finition, de 2800 m3 utiles chacun. Ces fermenteurs ABE de finition opèrent en continu simple : la concentration en microorganismes de type ABE sauvage est comprise entre 10e9 et 10e10 cellules /mL de milieu réactionnel.
L’effluent qui comprend les moûts fermentaires issus des 2 premiers fermenteurs ABE et qui contient du glucose résiduel, alimente les deux fermenteurs ABE de finition avec le même débit ée 177,4 m3/h (soit 177400 L/h). Le taux de dilution, à savoir l’inverse du temps de séjour (débit de solution aqueuse d’alcools et de glucose divisé par le volume utile total des fermenteurs) est égal à 0,0316 h 1.
La productivité volumique en solvants ABEi (Acétone, Butanol, Ethanol, isopropanol) est de 0,3 g ABEi /L/h.
Le moût fermentaire ABEi total issu des fermenteurs ABE de finition a une concentration de 23 g/L en solvants Acétone-Butanol-Ethanol-isopropanol ABEi et ne contient plus de glucose.
L’usine comprend également 2 fermenteurs IBE de 400 m3 utiles chacun, opérant en parallèle. Ces 2 fermenteurs IBE opèrent en mode continu confiné et contiennent un microorganisme de souche sauvage IBE de type DSM 6423 de la bactérie C. beijerinckii. La concentration en microorganisme dans le milieu de fermentation, appelé aussi milieu réactionnel, est comprise entre 108 et 109 cellules/cm3 de support et 80 m3 de support sont introduits dans chacun des fermenteurs IBE. Ces 2 fermenteurs IBE sont alimentés par une solution aqueuse de glucose ayant un débit de 158 m3/h (soit 158 000 L/h) et une concentration en glucose de 31,7 g/L. Ces fermenteurs IBE sont alimentés par la même solution aqueuse de glucose à un débit ajusté de sorte que le taux de dilution dans chaque fermenteur par la solution aqueuse de glucose est égal à 0,2 h 1.
La productivité volumique en solvants IBEa (Isopropanol, Butanol, Ethanol, acétone) est de 2 g IBEa /L/h. Ces 2 fermenteurs IBE sont également alimentés par un flux Acétone issue d’une section d’extraction, décrite ci-dessous :
Les moûts issus des fermenteurs ABE de finition et des deux fermenteurs IBE sont mélangés. Le mélange résultant a une concentration totale en solvants Isopropanol-Butanol-Ethanol- Acétone (IBEA) de 21,6 g/L . Ce mélange est envoyé vers une section d’extraction. Ladite section d’extraction est composée : d’une colonne à bière pour traiter le mélange et qui permet de séparer une solution aqueuse de solvants en tête et de l’eau en fond, puis d’une colonne acétone pour traiter la solution aqueuse de solvants et qui permet de séparer un flux d’acétone (13286,4 t/an) en tête de colonne et un mélange isopropanol/ éthanol/ butanol/ eau en fond de colonne, puis d’une colonne qui permet de séparer l’azéotrope isopropanol/eau en tête, qui contient aussi l’éthanol, et un mélange eau / butanol en fond et enfin d’un système de deux colonnes qui permettent de séparer l’hétéro-azéotrope eau / butanol.
La consommation énergétique de la section d’extraction est de 4,8 tonnes de vapeur par tonne de solvants produits soit environ 10,5 G J par tonne de solvants.
Une fraction du flux d’acétone issu de la tête de la colonne acétone est récupérée et constitue ledit flux Acétone qui alimente les 2 fermenteurs IBE avec ladite solution aqueuse de glucose à 31 ,7 g/L. La fraction d’acétone récupérée et recyclée, constituant le flux Acétone qui alimente les fermenteurs IBE représente une quantité annuelle de 12 800 t/an, soit environ 2 m3/h (avec la densité acétone = 784 g/l). Les fermenteurs IBE sont ainsi alimentés avec la solution aqueuse de glucose, à un débit de 158 m3/h et une concentration 31,7 g/L en glucose, et un flux Acétone à un débit de 1,9 m3/h d’acétone, c’est-à-dire au total une alimentation à un débit d’environ 160 m3/h d’une solution à 31,25 g/L de glucose et 10 g/L d’acétone.
La fraction non recyclée du flux d’acétone issu de la tête de la colonne acétone dans la section d’extraction est purgée, c’est-à-dire récupérée en sortie de l’usine, soit 486,4 t/an d’acétone purgée, et pourra être vendue ou brûlée. Cette purge permet d’éviter une accumulation des produits, en particulier de l’acétone dans la boucle de recyclage.
90% de l’acétone recyclée vers les 2 fermenteurs IBE sont convertis en isopropanol.
50% du débit d’eau obtenu en fond de la colonne à bière sont recyclés vers la préparation des solutions de glucose alimentant les fermenteurs ABE et IBE, le reste est envoyé à la station d’épuration des eaux. Le tableau 2 ci-dessous présente la production annuelle de l’usine de l’Exemple 2 :
Tableau 2
Figure imgf000029_0001
Le procédé conforme à l’invention, décrit dans l’Exemple 2, est avantageux par rapport au procédé non conforme décrit dans l’Exemple 1 pour les raisons suivantes : - L’usine comporte 2 fermenteurs de moins dans le procédé conforme décrit dans l’Exemple 2 par rapport au procédé décrit dans l’exemple 1 non conforme pour produire la même quantité totale de solvants. La productivité globale du procédé est donc améliorée car la même quantité de solvants est produite avec moins de volume fermentaire.
- Au final, 2,6 % poids d’isopropanol (16780,8 t/an dans l’Exemple 2 par rapport à 16358,4 t/an dans l’Exemple 1) sont produits en plus par le procédé conforme décrit dans l’Exemple 2 par rapport au procédé non conforme de l’Exemple 1 (100x(16780, 8-16358, 4)/16358, 4). Le procédé conforme de l’Exemple 2 produit 46,5 % poids d’acétone en moins par rapport au procédé non conforme de l’Exemple 1 (100x (908,8-486,4)/908,8). Mais grâce au procédé selon l’invention, 422,4 tonnes/an d’acétone (422,4 = 908,8-486,4 = 16780,8-16358,4) sont valorisés sous forme d’isopropanol dont la valeur marchande est plus élevée que celle de l’acétone.
- Le débit total de solution de glucose dans le procédé décrit dans l’Exemple 2 est de 177,4 + 158 = 335,4 m3/h et est inférieur de 11,4 % poids au débit de solution de glucose dans le procédé décrit dans l’Exemple 1 non conforme, 378,7 m3/h (11,4% = 100 x (378,7- 335,4)/378,7).
- Le moût séparé dans la section d’extraction est plus concentré en solvants dans le procédé décrit dans l’Exemple 2 par rapport au moût traité dans le procédé décrit dans l’Exemple 1 (21,6 g/L contre 15 g/L) : la séparation exige donc moins de vapeur de chauffage et donc moins d’énergie, 10,5 GJ par tonne de solvants produit par le procédé conforme de l’Exemple 2 contre environ 13 GJ par tonne de solvants produits par le procédé de l’Exemple 1 non conforme.

Claims

Revendications
1. Procédé de production d’alcools comprenant les étapes suivantes : a. une étape de fermentation ABE qui met en œuvre une section réactionnelle ABE comprenant au moins un bioréacteur ABE contenant un microorganisme de souche ABE, ladite section réactionnelle ABE étant alimentée au moins par une solution aqueuse SABE de sucres en C5 et/ou C6, pour produire au moins un moût de fermentation ABei, comprenant au moins de l’acétone, du butanol et de l’éthanol ; b. éventuellement une étape d’extraction intermédiaire de l’acétone, comprenant une section d’extraction alimentée au moins par le moût de fermentation ABei obtenu à l’issue de l’étape a), pour produire au moins un flux acétone (A) et un flux aqueux d’alcools, comprenant au moins le butanol et l’éthanol ; c. une étape de fermentation IBE mettant en œuvre une section réactionnelle IBE comprenant au moins un bioréacteur IBE contenant un microorganisme de souche IBE, ladite section réactionnelle IBE étant alimentée par un flux d’alimentation FIBE comprenant au moins une solution aqueuse SIBE de sucres en C5 et/ou C6 et un flux solvant qui comprend au moins de l’acétone, ledit flux solvant étant avantageusement composé au moins (i) du moût de fermentation ABei issu directement de l’étape a), ou (ii) du flux acétone (A) obtenu à l’étape b) éventuelle lorsque ledit procédé comprend ladite étape b), les débits de la solution aqueuse SIBE et du flux solvant étant ajustés de sorte que la concentration en acétone dans le flux d’alimentation F!BE est inférieure ou égale à 10 g/L, pour produire au moins un moût de fermentation IBea, comprenant au moins de l’isopropanol, du butanol et de l’éthanol.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel la section réactionnelle ABE comprend au moins deux, préférentiellement au moins cinq bioréacteurs ABE, et comprend au plus trente bioréacteurs ABE, de préférence au plus vingt bioréacteurs ABE, préférentiellement au plus dix bioréacteurs ABE.
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la solution aqueuse SABE qui alimente la section réactionnelle ABE a une concentration en sucres C5 et/ou C6 comprise entre 1 et 900 g/L, de préférence entre 10 et 600 g/L, préférentiellement entre 20 et 500 g/L, de manière très préférée entre 25 et 150 g/L.
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la fermentation ABE mise en œuvre dans la section réactionnelle ABE de l’étape a) est réalisée à une température comprise entre 25 et 40°C, de préférence entre 30 et 37°C, de manière préférée à 34°C, et à un pH compris entre 4,0 et 7,0, de préférence entre 4,5 et 6,0.
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la section réactionnelle
ABE dans l’étape a) est opérée à pression atmosphérique.
6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la fermentation ABE dans l’étape a) est mise en œuvre en mode continu simple ou continu avec immobilisation cellulaire, et préférentiellement en mode continu avec immobilisation cellulaire.
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les débits de la solution aqueuse SŒ et du flux solvant sont ajustés de sorte que la concentration en acétone dans le flux d’alimentation FŒ est inférieure ou égale à 5 g/L, préférentiellement inférieure ou égale à 2 g/L.
8. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la section réactionnelle IBE comprend au moins deux, préférentiellement au moins cinq bioréacteurs IBE, et comprend au plus trente bioréacteurs IBE, de préférence au plus vingt bioréacteurs IBE, préférentiellement au plus dix bioréacteurs IBE.
9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la solution aqueuse S de sucres en C5 et/ou C6 dans l’étape c) a une concentration en sucres C5 et/ou C6 comprise entre 1 et 900 g/L, de préférence entre 10 et 600 g/L, préférentiellement entre 20 et 500 g/L, de manière très préférée entre 25 et 150 g/L.
10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la fermentation IBE mise en œuvre dans la section réactionnelle IBE de l’étape c) est réalisée à une température comprise entre 25 et 40°C, de préférence entre 30 et 37°C, de manière préférée à 34°C, et à un pH compris entre 4,0 et 7,0, de préférence entre 4,5 et 6,0.
11. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la section réactionnelle IBE dans l’étape c) est opérée à pression atmosphérique.
12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la fermentation IBE dans l’étape c) est mise en œuvre en mode continu simple ou continu avec immobilisation cellulaire, et préférentiellement en mode continu avec immobilisation cellulaire.
13. Procédé selon l’une des revendications précédentes comprenant ladite étape b) d’extraction intermédiaire de l’acétone et dans lequel le moût de fermentation IBea obtenu à l’issue de l’étape c) est transféré, de préférence directement, vers ladite étape b) et alimente, en mélange avec le moût de fermentation ABei issu de l’étape a), la section d’extraction de ladite étape b).
14. Procédé selon la revendication 13 comprenant en outre une étape de séparation pour traiter le moût IBea et séparer au moins un effluent acétone et un effluent alcools, ledit effluent acétone constituant éventuellement un flux acétone recyclé qui est transféré vers la section réactionnelle IBE de l’étape c) pour alimenter le (ou les) bioréacteur(s) IBE.
15. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel les solutions aqueuses SABE et SIBE de sucres en C5 et/ou C6 proviennent du traitement de sources renouvelables du type biomasse lignocellulosique ou sont obtenues à partir de plantes sucrières.
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Title
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