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WO2024115096A1 - Procede de traitement d'un melange en phase aqueuse de composes comprenant des sucres a 5 et 6 atomes de carbone - Google Patents

Procede de traitement d'un melange en phase aqueuse de composes comprenant des sucres a 5 et 6 atomes de carbone Download PDF

Info

Publication number
WO2024115096A1
WO2024115096A1 PCT/EP2023/081734 EP2023081734W WO2024115096A1 WO 2024115096 A1 WO2024115096 A1 WO 2024115096A1 EP 2023081734 W EP2023081734 W EP 2023081734W WO 2024115096 A1 WO2024115096 A1 WO 2024115096A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sugars
carbons
mixture
compounds
solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2023/081734
Other languages
English (en)
Inventor
Matthieu ARAGONES
Sophie COUDERC
Gilles Ferschneider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of WO2024115096A1 publication Critical patent/WO2024115096A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
    • C12P7/10—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate substrate containing cellulosic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/02—Monosaccharides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C13—SUGAR INDUSTRY
    • C13K—SACCHARIDES OBTAINED FROM NATURAL SOURCES OR BY HYDROLYSIS OF NATURALLY OCCURRING DISACCHARIDES, OLIGOSACCHARIDES OR POLYSACCHARIDES
    • C13K13/00—Sugars not otherwise provided for in this class
    • C13K13/002—Xylose
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/18—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic polyhydric
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12R—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES C12C - C12Q, RELATING TO MICROORGANISMS
    • C12R2001/00—Microorganisms ; Processes using microorganisms
    • C12R2001/645—Fungi ; Processes using fungi
    • C12R2001/85—Saccharomyces
    • C12R2001/865—Saccharomyces cerevisiae

Definitions

  • the present invention relates to the treatment of sweet juices, in particular those called second generation (2G), which can be obtained from lignocellulosic biomass.
  • 2G second generation
  • sweet juices can be used to produce other products chemically or biochemically (e.g. alcohols such as ethanol, butanol, or other molecules, e.g. solvents such as acetone, intermediate products used in chemical industry, etc.), particularly as substitutes for petrochemical derivatives.
  • alcohols such as ethanol, butanol
  • solvents such as acetone, intermediate products used in chemical industry, etc.
  • first generation sweet juices (1 G) are obtained, for example by operations extraction.
  • second generation (2G) sweet juices are obtained by a biochemical transformation process which generally includes a pretreatment step and an enzymatic hydrolysis step by an enzymatic cocktail.
  • the pretreatment most often includes an impregnation step with an acidic or basic or oxidizing liquor, then cooking the impregnated biomass which is possibly accompanied by a steam explosion.
  • sweet juices resulting from hydrolysis can then be further treated, for example by fermentation to convert them into alcohol, and the process also includes separation and/or purification steps.
  • Lignocellulosic biomass is composed of three main polymers: cellulose (35 to 50% by weight), which is a polysaccharide essentially made up of hexoses; hemicellulose (20 to 30% by weight), which is a polysaccharide most often essentially made up of pentoses; and lignin (15 to 25 wt%), which is a polymer of complex structure and high molecular weight, composed of aromatic alcohols linked by ether bonds. These different molecules are responsible for the intrinsic properties of the plant wall and are organized in a complex tangle.
  • cellulose and hemicellulose are those that allow the production of 2G sweet juices.
  • the hemicellulose is mainly broken down into sugars during pretreatment, and the cellulose is converted to glucose by enzymatic hydrolysis.
  • This pretreatment makes it possible to modify the physicochemical properties of the lignocellulosic biomass in order to improve the accessibility of cellulose to enzymes and its reactivity to enzymatic hydrolysis.
  • the solvent can be an alcohol (ethanol), an acid such as acetic acid, formic acid, or even acetone.
  • One of the most effective pretreatments is steam explosion, particularly in acidic conditions, which allows almost total hydrolysis of the hemicellulose and a significant improvement in the accessibility and reactivity of the cellulose to enzymes.
  • This pretreatment may be preceded by other treatment(s).
  • the pretreatment can generally comprise three stages which are the preparation of liquor, the impregnation of the biomass with this liquor and the pretreatment of the biomass impregnated, for example by cooking possibly coupled with a steam explosion:
  • Patent FR 3 075 203 describes a process with impregnation of the biomass with an acidic liquor, then cooking and steam explosion of the impregnated biomass, with an adjustment of the acidity of the acid liquor and recycling thereof.
  • Patent FR 3 075 201 also describes a process for pre-treating biomass by acid impregnation then steam explosion, with further washing of the reactor supply means and recycling of the washing water in the process.
  • the sweet juices thus obtained from lignocellulosic biomass are in the form of a mixture of sugars in the aqueous phase, where sugars are found called C5 (i.e. 5 carbons), such as xylose and arabinose, and so-called C6 sugars (i.e. 6 carbons), such as glucose, mannose and galactose .
  • C5 i.e. 5 carbons
  • C6 sugars i.e. 6 carbons
  • sweet juices resulting from the pretreatment of lignocellulosic biomass we observe for the majority of lignocellulosic biomasses, in the sweet juice, a proportion of C5 sugars significantly higher than that of C6 sugars.
  • sweet juice we mean that sugars are released by the pretreatment, and that they can be solubilized by mixing the pretreated biomass with water, for example.
  • juices sweetened with C5 specifically for example to convert xylose into xylitol).
  • these sweet juices can also contain furfural or furfural derivatives, sugar degradation products, carboxylic alcohols, furan compounds, which are fermentation inhibitors, which is detrimental when we want to continue the conversion of sweet juices into alcohols by fermentation using microorganisms such as yeast or bacteria.
  • furfural or furfural derivatives sugar degradation products
  • carboxylic alcohols furan compounds
  • fermentation inhibitors which is detrimental when we want to continue the conversion of sweet juices into alcohols by fermentation using microorganisms such as yeast or bacteria.
  • the publication “Removal of the Fermentation Inhibitor, Furfural, Using Activated Carbon in Cellulosic-Ethanol Production” by Kuang Zhang and al. demonstrates the inhibitory nature of furfural at a content of 4 g/L for the bacterium Zymomonas mobiliz A3 during fermentations.
  • patent application WO 2022/023686 describes a biomass treatment comprising a pretreatment then an enzymatic hydrolysis to obtain a sweet juice comprising glucose, which is then clarified and then purified by filtration on activated carbon, in order to eliminate suspended matter and capture certain soluble contaminants. It is a simple technique, but it does not allow C5 sugars to be separated from C6 sugars.
  • Patent application US 2013/0149761 proposes to cause the precipitation of compounds which are not sugars using barium or calcium hydroxide, in order to obtain a juice which only contains sugars of the glucose type. , xylose and other sugars. This technique therefore does not make it possible to selectively separate the sugars, but simply to remove from the sugary juice minority compounds which are by-products of the pretreatment of the biomass.
  • Patent EP3990464 describes the separation of glucose, from a mixture of C5 sugars and C6 sugars, by adsorption of glucose on an FAU type zeolite adsorbent. It is an interesting method, which however does not allow optimal separation of glucose, which presents a selectivity which can be improved.
  • Patent EP3990668 describes the separation of xylose from a mixture of C5 sugars and C6 sugars, also by adsorption, here of xylose, on a zeolite adsorbent of the FAU type, with the same limit in terms of selectivity in the separation carried out .
  • adsorption here of xylose
  • zeolite adsorbent of the FAU type
  • the invention therefore aims to remedy the aforementioned drawbacks. Its aim is to improve the techniques for selective separation of sugars in a sweet juice comprising different sugars, in particular C5 sugars and C6 sugars, aiming in particular to obtain juice enriched with C5 sugars.
  • enriched juice we mean that the sweet juice obtained by the invention has a ratio of C5/C6 sugars greater than the ratio of the sweet juice obtained without the invention.
  • the invention firstly relates to a process for treating a mixture in the aqueous phase of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons, and such that said mixture is brought into contact in the aqueous phase. aqueous with a microorganism consuming, among the sugars in the mixture, essentially only the C6 sugars, in order to obtain a mixture depleted in C6 sugars.
  • the initial sweet juice comes mainly from the depolymerization of the hemicelluloses present in the lignocellulosic biomass.
  • sweetened juice contains more C5 sugars than C6 sugars by weight.
  • the sweet juice is obtained without the addition of enzymes.
  • the initial sweet juice is obtained following the pretreatment of a lignocellulosic biomass.
  • the invention has thus developed a new technique for separating C5 and C6 sugars in a sweet juice, by selecting a microorganism which will selectively consume the sugar, here C6 sugar, which we want to remove from the sweet juice. , in order to obtain a juice said to be purified in C5 sugars, which can be used in the chemical industry in particular. It is a separation by biochemical route, rather than by physical or chemical route, which is very interesting: it is both simpler to implement than known filtration techniques, and significantly more efficient and selective.
  • the microorganism can be a single type of microorganism or an association of different microorganisms.
  • mixture in the aqueous phase of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons could also be designated, for the sake of conciseness, under the term “sweet juice initial "
  • the term “mixture depleted in C6 sugars” could also be designated, for the sake of brevity, under the term “purified juice” or even “depleted juice”.
  • “sugars” means sugars in their monomeric form (and not in an oligomeric/polymeric form).
  • juice is equivalent to a mixture of compounds in the aqueous phase: the juice is aqueous.
  • the microorganism will consume the C6 sugar at least for its own maintenance or growth: the C6 sugar thus disappears. It can also, depending on the quantity of C6 sugars present in the sweet juice and depending on the quantity and type of microorganism chosen, convert the sugar into another valuable compound. (Note, however, that the microorganism can also consume a very small quantity of C5 sugar such as xylose, but it remains essentially a consumer of C6 sugars).
  • the microorganism converts at least a part, in particular the majority, of the C6 sugars into alcohol, in particular into ethanol.
  • the conversion to alcohol is not complete because the microorganism can use some sugars for non-alcohol by-products or for its metabolism.
  • the majority the fact that the microorganism can convert at least half of the C6 sugars into ethanol (in particular more than half, for example at least two thirds of said C6 sugars, or even almost all of them).
  • ethanol is a highly valuable product, which can be more easily separated from sweet juice.
  • ethanol can be separated from an aqueous mixture by distillation or stripping.
  • the microorganism can be separated by a solid/liquid separation operation known to those skilled in the art such as centrifugation for example.
  • the mixture in the aqueous phase of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons can also include furfural, particularly when the sweet juice comes from the pretreatment of lignocellulosic biomass under acidic conditions.
  • the microorganism can be chosen so that it also consumes furfural, in particular by converting at least part of the furfural into alcohol, in particular into furfuryl alcohol.
  • this consumption is very interesting, to the extent that furfural is known to be an inhibitor of fermentation reactions: we thus improve the productivity and yields of possible biochemical conversions planned for the purified juice.
  • the aqueous phase mixture of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons can also include 5-hydroxymethyl furfural (5-HMF), particularly when the sweet juice comes from the pretreatment of lignocellulosic biomass in acidic conditions.
  • the microorganism can be chosen so that it also consumes 5-hydroxymethyl furfural, in particular by converting at least part of the 5-hydroxymethyl furfural in particular into 5-hydroxymethyl furfuryl alcohol.
  • this consumption is very interesting, to the extent that 5-HMF is also known to be an inhibitor of fermentation reactions: we thus improve the yields of possible biochemical conversions planned for the purified juice.
  • the aqueous phase mixture of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons can also include other compounds for degrading C5 or C6 sugars, in particular furan compounds, acids organic, compounds with high molecular weight, particularly when the sweet juice comes from the pretreatment of lignocellulosic biomass at high temperature or by solvent.
  • other compounds for degrading C5 or C6 sugars in particular furan compounds, acids organic, compounds with high molecular weight, particularly when the sweet juice comes from the pretreatment of lignocellulosic biomass at high temperature or by solvent.
  • the aqueous phase mixture of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons may also include mineral salts.
  • the aqueous phase mixture of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons may also include sugars in oligomeric form.
  • the microorganism can advantageously be chosen from yeasts, bacteria, fungi.
  • Saccharomyces cerevisae can for example be chosen from yeasts in the genus Saccharomyces, in particular the species Saccharomyces cerevisae or, from bacteria, in the genus Corynebacterium, in particular the species Corynebacterium, Zymomonas mobilis.
  • Saccharomyces cerevisae in particular, is interesting, because the wild strain naturally consumes C6 sugars, but not C5 sugars, and work has been carried out to genetically modify it so that it is able to consume both types of sugars. : the invention thus recommends returning to the non-genetically modified version of this yeast/the native version, precisely to exploit its selectivity with respect to sugars, hitherto perceived as a disadvantage.
  • the treatment of the mixture in the aqueous phase of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons with the microorganism is carried out at a temperature between 20 and 60°C, in particular between 25 and 40°C. C, especially between 30 and 35°C.
  • the treatment temperature must be adapted according to the chosen microorganism, each microorganism having a temperature range where its activity is maximum.
  • the treatment of the mixture in the aqueous phase of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons with the microorganism has a duration of between 5 minutes and 15 hours, in particular between 10 minutes and 8 hours. Processing can be carried out in batches, in a fed-batch of sweet juice, or continuously.
  • the selected microorganism which will selectively consume the C6 sugar according to the invention can be added all at once directly with the sweet juice, or with sequential feeding, independently or not of the feeding of the sweet juice.
  • the duration of the treatment must be adjusted depending on the type and quantity of microorganism used, depending on the quantity of C6 sugars in the sweetened juice, depending on the quantity of C6 sugars that we wish to reduce in the sweet juice, depending on the quantity of compounds known as inhibitors of microorganisms (furan compounds such as furfural or 5-hydroxymethyl furfural, carboxylic acids such as acetic acid or formic acid, or phenolic compounds) for Saccharomyces Cerevisae yeast and depending on the final acceptable C6 sugar content in the purified juice.
  • compounds known as inhibitors of microorganisms furan compounds such as furfural or 5-hydroxymethyl furfural, carboxylic acids such as acetic acid or formic acid, or phenolic compounds
  • the treatment of the mixture in the aqueous phase of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons with the microorganism is carried out at a pH of between 2 and 10, in particular between 4 and 6, in particular between 4.5 and 5.5.
  • the treatment of the mixture in the aqueous phase of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons with the microorganism can be carried out under aerobic or anaerobic conditions, depending on the microorganism chosen and the desired product from the consumption of the sugars. .
  • the concentration of microorganisms in the aqueous phase mixture of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons is between 1 and 200 g/kg of C6 sugars, in particular between 10 and 30 g/kg. kg of C6 sugars.
  • the mixture in the aqueous phase of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons preferably comes from the treatment of biomass, in particular lignocellulosic, originating in particular from forestry and/or agricultural and/or paper residues, and/or sacchariferous plants and/or starchy plants and/or Fermentable Fractions of Household Waste (FFOM).
  • biomass in particular lignocellulosic, originating in particular from forestry and/or agricultural and/or paper residues, and/or sacchariferous plants and/or starchy plants and/or Fermentable Fractions of Household Waste (FFOM).
  • FFOM Fermentable Fractions of Household Waste
  • the aqueous phase mixture of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons can come from a biomass washing operation, or from a hydrolysis or pretreatment of the biomass including in particular an impregnation of the biomass with an acidic or basic or oxidizing liquor followed by cooking of the impregnated biomass, in particular cooking with steam explosion.
  • the aqueous phase mixture of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons can come from a solid/liquid separation step using a biomass pretreated by steam explosion plumped with a solvent (from water for example).
  • the invention also relates to the purified juice obtained according to the treatment of the invention: it thus also relates to a mixture of compounds in aqueous solution, which comprises C5 sugars and conversion products of C6 sugars and optionally other minority compounds present in the juice to be purified.
  • these conversion products of C6 sugars and other minority compounds are alcohols such as ethanol, 5-hydroxymethylfurfuryl alcohol and furfuryl alcohol, particularly in the following concentrations; - C5 sugars: between 10 and 100 g/kg of solution, in particular between 20 and 60 g/kg of solution- ethanol: between 1 and 12 g/kg of solution, in particular between 2 and 7 g/kg of solution- alcohol 5 -hydroxymethylfurfuryl: between 0.1 and 9 g/kg of solution, in particular between 0.2 and 4 g/kg of solution - furfuryl alcohol: between 0.05 and 9 g/kg of solution, in particular between 0.1 and 3 .8 g/kg, notably between 0.1 and 1.8 g/kg of solution
  • the purified juice according to the invention can thus contain alcohols, in particular an alcohol which results from the conversion of C6 sugars under the action of the microorganism, for example ethanol, butanol or isopropanol, and alcohols resulting in particular of the conversion of the two inhibitors (furfural and 5-HMF), also under the action of the microorganism.
  • alcohols in particular an alcohol which results from the conversion of C6 sugars under the action of the microorganism, for example ethanol, butanol or isopropanol, and alcohols resulting in particular of the conversion of the two inhibitors (furfural and 5-HMF), also under the action of the microorganism.
  • the conversion products of C6 sugars can also be microorganisms themselves, in particular yeasts, in the case where the treatment according to the invention is carried out under aerobic conditions. C6 sugars are consumed by the microorganism for its own growth or maintenance
  • the purified juice according to the invention contains less than 0.5 g/kg of C6 sugar solution, and preferably no C6 sugar, less than 0.1 g/kg of furfural solution, in particular no furfural, and less of 0.1 g/kg of 5-hydroxymethyl furfural solution, in particular no 5-hydroxymethyl furfural.
  • the purified juice contains the following compounds:
  • This purified juice is preferably obtained from a mixture in the aqueous phase of compounds comprising C5 sugars with 5 carbons and C6 sugars with 6 carbons according to the process of the invention.
  • the purified juice according to the invention may also contain carboxylic alcohols, such as acetic acid, formic acid or levullinic acid.
  • the purified juice according to the invention contains less than 8 g/kg of acetic acid acid, preferably less than 5 g/kg acetic acid.
  • the purified juice according to the invention may also contain sugars in oligomeric form, for example compounds of the arabinoxylan type, pentose and hexose oligomers.
  • the purified juice according to the invention contains between 0% and 100% of oligomeric sugars relative to the monomeric sugars, preferably between 0.1% and 50%, in particular between 0.1% and 20% of oligomeric sugars relative to the monomeric sugars. monomeric sugars.
  • the invention also relates to the use of the mixture treated according to the invention/described above (purified juice), which is therefore a sweet juice with a very high content of C5 sugars (compared to C6 sugars), to convert C5 sugars by chemical means, in particular to convert xylose into xylitol, or by biochemical means, in particular to serve as a carbonaceous substrate for the propagation of yeasts or for the induction of fungi for the production of enzymes.
  • Xylose is considered a platform molecule, and many valorization routes are possible (xylitol, monoethylene glycol, propanol, butanol, lactic acid, succinic acid, etc.).
  • Figure 1 is a very schematic representation of a reactor implementing the treatment according to the invention, and representing the compounds of interest entering and leaving the reactor.
  • Figure 2 is a graph representing on the abscissa the duration of the treatment according to the invention (in hours) and on the ordinate the evolution of the concentrations of compounds in a mixture of sugars treated according to the invention, in g/kg of reaction medium .
  • Figure 3 is a very schematic representation of a reactor implementing the treatment according to the invention, and representing the compounds of interest entering and leaving the reactor under aerobic conditions, to propagate the microorganisms (yeasts).
  • the invention therefore seeks, starting from a sweet juice containing C5 sugars and C6 sugars (and preferably only these two types of sugars), to obtain a so-called purified juice where the C6 sugar content has been reduced. , or even eliminated, by biochemical treatment.
  • the biochemical treatment is a bringing into contact of the juice sweetened with C5 and C6 sugars, juice obtained by treatment of material based on lig nocellu losic biomass and comprising mainly C5 sugar, with a microorganism which selectively consumes the C6 sugars: the C5 sugars are not modified, remain almost intact in the juice, while the C6 sugars will gradually be consumed by the microorganism for its own growth and/or to be converted into another compound, in the form of alcohol in the case where the biochemical reaction is a fermentation.
  • the operating conditions of the treatment are adapted function of the initial content of C6 sugars and the final content of C6 sugars which is acceptable (no more C6 sugars at all, or a content lower than a given value): temperature, pH, duration, aeration, choice and concentration of the microorganism .
  • this pretreatment is an operation of impregnation of lignocellulosic biomass with an acidic liquor, followed by an operation of steam explosion of the impregnated biomass. At least part of the pretreated biomass undergoes a liquid/solid separation operation at the end of the pretreatment step, this liquid/solid separation step comprising a contact step between the pretreated lignocellulosic biomass and water, and a filtration and optionally washing step.
  • this liquid/solid separation step comprising a contact step between the pretreated lignocellulosic biomass and water, and a filtration and optionally washing step.
  • JO juice 550 kg of pretreated biomass are mixed with 1010 kg of water, then filtered and then pressed. After filtration and pressing, 885 kg of JO juice, also called C5 hydrolyzate, is obtained. As pretreatment takes place under acidic conditions, this juice has a pH of 2.
  • the concentration of compounds of interest in this OJ juice is given in Table 1 below, with concentrations expressed in g per kg of juice. . Note that it is possible that the composition contains other impurities, which we have not attempted to analyze, for example of the salt (mineral) or acid type, in very low levels.
  • Sweet juices from pretreated biomass generally include a much higher quantity of C5 sugars than C6 sugars, and there is a need, to efficientlyze them, to separate the C5 sugars from the C6 sugars.
  • the techniques currently available are unsatisfactory (membrane filtration in particular), because they are complex to implement and generally do not make it possible to achieve the desired level of C5 sugar purity in the juice separated from C5 sugars.
  • sweet juice J0 defined in example 1.
  • a fermentation of the J0 juice is carried out with a microorganism, the yeast Saccharomyces cerevisae, in a native version, not genetically modified, and which has the particularity of selectively consuming C6 sugars, and not C5 sugars.
  • the yeast is inoculated at 0.5 g of yeast per kg of solution, or 60 g of yeast per kg of C6 sugars.
  • the experiment was carried out in a bioreactor for 6 hours, at 33°C and pH 5.3.
  • the treatment was carried out under anaerobic conditions to maximize the production of ethanol from C6 sugars by fermentation, and not the production of biomass.
  • This reaction can be carried out in batch, fed-batch or continuously. They can then be separated to treat/valorize them separately.
  • a base to regulate the pH and maintain the reaction medium in the conditions necessary for the activity of the chosen yeast, of the NH 4 OH, KOH or NaOH type for example
  • the concentration of compounds of interest in the mixture in the initial state is given in Table 2 below, with concentrations expressed in g per kg of juice. Note that it is possible that the composition contains other impurities, which we have not attempted to analyze, such as salt or acid, in very low levels. [Table 2]
  • the reaction medium contains:
  • the fermentation lasted 6 hours and shows that the glucose, galactose and mannose (C6 sugars, dotted lines) are completely consumed. Arabinose and xylose (C5 sugars) are not consumed. Furfural and 5-HMF were consumed by the yeast which detoxifies its environment, to produce furfuryl alcohol and 5-hydroxymethyl furfuryl alcohol (also called 2,5-Bis(hydroxy methyl)furan) which do not inhibit yeast.
  • the yeasts consume the C6 sugars (mainly to produce ethanol) and the inhibitors (5-HMF and furfural) in six hours.
  • the medium contains a juice J1 whose composition is given in Table 2 below, with concentrations expressed in g per kg of medium: [Table 3]
  • Figure 2 represents the evolution of the contents of the compounds in JO juice throughout the fermentation period, by sampling and analysis.
  • the fermentation duration for the C6 sugars to be entirely consumed is 6 hours, which is a reasonable duration, which can be further lowered by playing, in particular, on the quantity of added yeast, or if lowered but not zero levels of C6 sugars are acceptable. Experiments have thus been carried out successfully with much shorter fermentation times, in particular from 30 minutes to 2 hours, for example a duration of around 1 hour.
  • the invention manages to purify mixtures of sugars to obtain juices containing the type of sugars that we want to preserve, by choosing a selective microorganism, which can furthermore, optionally, also consume/eliminate in the sugar mixtures of undesirable compounds/impurities, including inhibitors of biochemical reactions such as furan derivatives. Its implementation is simple, in one fermentation step, and its effectiveness is daunting, with possibly complete elimination of the compounds that we want to remove from the sweet juices.
  • Example 3 (according to the invention) We start from the JO sweet juice defined in Example 1.
  • An aerobic fermentation of the JO juice is carried out with a microorganism, the yeast Saccharomyces cerevisae, in a native version, not genetically modified, and which has the particularity of selectively consuming C6 sugars. , and not C5 sugars.
  • the experiment was carried out in a bioreactor for 30 hours, at 30°C and pH 5.
  • the treatment was carried out under aerobic aerobic conditions (at 0.1 vvm, volume of air per volume of medium per minute) to maximize the production of biomass and not the production of ethanol from C6 sugars.
  • This reaction can be carried out in batch, fed-batch or continuously. In this example, the reaction is carried out in a fed-batch of sweet juice for 24 hours then an additional mixing time of 6 hours without fed-batch.
  • a base to regulate the pH and maintain the reaction medium in the conditions necessary for the activity of the chosen yeast, of the NH 4 OH, KOH or NaOH type for example
  • the sweet juice is then added for 24 hours at a linear flow rate of 19.54 kg/h. In total, 469 kg of sweet juice are added in fed batch. 2.8 kg of alkali at 23.5% by weight are also added to regulate the pH to 5.0.
  • the aerobic fermentation lasted 30 hours (24 hours of fed-batch of sweet juice and 6 hours of mixing) and shows that glucose, galactose and mannose are consumed at 91%.
  • Arabinose and xylose (C5 sugars) are not consumed.
  • Furfural and 5-HMF were 100% consumed by the yeast which detoxifies its environment, to produce furfuryl alcohol and 5-hydroxymethyl furfuryl alcohol (also called 2,5-Bis(hydroxy methyl)furan ) which do not inhibit yeast.
  • Acetic acid was also 100% consumed.
  • yeast i.e. a multiplication factor of 2.1.
  • Yeast therefore has no action on C5 sugars, the content of which remains constant.
  • the yeast completely consumed both all the C6 sugars and the two inhibitors (5-HMF and furfural) as well as the acetic acid, to convert them at least in part into alcohols (another part can be consumed by yeast for its own growth).
  • the treatment with yeast therefore gives spectacular results, with a juice purified in C5 sugars which no longer contains C6 sugars at all, the inhibitors of which have been, simultaneously, completely eliminated while also multiplying the yeast.
  • the invention manages to purify mixtures of sugars to obtain juices containing the type of sugars that we want to preserve, by choosing a selective microorganism, which can furthermore, optionally, also consume/eliminate in the sugar mixtures of undesirable compounds/impurities, including inhibitors of biochemical reactions such as furan derivatives. Its implementation is simple, in one aerobic fermentation step, and its effectiveness is daunting, with possibly complete elimination of the compounds that we want to remove from the sweet juices.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement d'un mélange (J0) en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 (51) avec 5 carbones et des sucres C6 (52) avec 6 carbones et dont la teneur en poids de sucres C5 est supérieure à la teneur en poids de sucres C6, tel qu'on met en contact ledit mélange en phase aqueuse avec un micro-organisme (2) ne consommant, parmi les sucres du mélange, essentiellement que les sucres C6, afin d'obtenir un mélange appauvri en sucres C6.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT D’UN MELANGE EN PHASE AQUEUSE DE COMPOSES COMPRENANT DES SUCRES A 5 ET 6 ATOMES DE CARBONE.
Domaine technique
La présente invention concerne le traitement de jus sucrés, notamment ceux dits de seconde génération (2G), qu’on peut obtenir à partir de biomasse lignocellulosique.
Ces jus sucrés peuvent être utilisés pour produire d’autres produits par voie chimique ou biochimique (par exemple des alcools comme Péthanol, le butanol, ou d’autres molécules, par exemple des solvants tels que l’acétone, des produits intermédiaires utilisés dans l’industrie chimique, etc...), notamment en tant que substituts de dérivés pétrochimiques.
Technique antérieure
La biomasse lignocellulosique représente une des ressources renouvelables les plus abondantes sur terre. Les substrats considérés sont très variés, ils concernent à la fois des substrats ligneux comme différents bois (feuillus et résineux), des coproduits issus de l’agriculture (pailles de blé, rafles de maïs, etc...) ou d’autres industries, comme l’industrie agroalimentaire, papetière, etc...
Différents types de procédés existent pour convertir la biomasse lignocellulosique en jus sucrés selon le type de biomasse. S’il s’agit de plantes saccharifères (la betterave sucrière, la canne à sucre), de plantes amylacées (le maïs et le blé), on obtient des jus sucrés dits de première génération (1 G), par exemple par des opérations d’extraction.
S’il s’agit de biomasse de type résidus agricoles, forestiers, papetiers, on obtient des jus sucrés dits de seconde génération (2G) par un procédé de transformation biochimique qui comprend généralement une étape de prétraitement et une étape d’hydrolyse enzymatique par un cocktail enzymatique. Le prétraitement comporte le plus souvent une étape d’imprégnation par une liqueur acide ou basique ou oxydante, puis une cuisson de la biomasse imprégnée qui est éventuellement accompagnée d’une explosion à la vapeur.
Les jus sucrés issus de l’hydrolyse peuvent ensuite être ensuite traités, par exemple par fermentation pour les convertir en alcool, et le procédé comprend également des étapes de séparation et/ou de purification.
Ces jus sucrés peuvent également provenir d’un mélange de jus sucrés provenant de différents types de biomasse. La biomasse lignocellu losique est composée de trois principaux polymères : la cellulose (35 à 50% poids), qui est un polysaccharide essentiellement constitué d'hexoses ; l'hémicellulose (20 à 30% poids), qui est un polysaccharide le plus souvent essentiellement constitué de pentoses ; et la lignine (15 à 25% poids), qui est un polymère de structure complexe et de haut poids moléculaire, composé d'alcools aromatiques reliés par des liaisons éther. Ces différentes molécules sont responsables des propriétés intrinsèques de la paroi végétale et s'organisent en un enchevêtrement complexe.
Parmi les trois polymères de base qui intègrent la biomasse lignocellulosique, la cellulose et l'hémicellulose sont ceux qui permettent la production de jus sucrés 2G.
Le plus souvent, l’hémicellulose est majoritairement décomposée en sucres durant le prétraitement, et la cellulose est convertie en glucose par l’hydrolyse enzymatique. Toutefois, l’accès à la cellulose brute reste difficilement accessible aux enzymes, d’où la nécessité du prétraitement mentionné plus haut. Ce prétraitement permet de modifier les propriétés physico-chimiques de la biomasse lignocellulosique afin d’améliorer l'accessibilité de la cellulose aux enzymes et sa réactivité à l’hydrolyse enzymatique.
De nombreuses technologies intéressant l’invention pour réaliser ce prétraitement existent, qui seront ci-après regroupées sous le terme générique de « cuisson » : cuissons acides, cuissons alcalines, cuisson par auto-hydrolyse, explosion à la vapeur, procédés dits « organosolv pulping » selon le terme anglais connu (ou traitement avec organo-solvant en français). Ce dernier procédé concerne un prétraitement en présence d’un ou plusieurs solvants organiques et généralement d’eau. Le solvant peut être un alcool (éthanol), un acide type acide acétique, acide formique, ou encore l’acétone.
Différentes configurations sont reportées par exemple dans le document «Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review », M. Balat, Energy Conversion and Management 52 (201 1 ) 858-875, ou encore dans le document « Bioethanol production from agricultural wastes : an overview », N. Sarkar, S. Kumar Ghosh, S. Bannerjee, K. Aikat, Renewable Energy 37 (2012) 19-27.
Un des prétraitements le plus efficace est l’explosion à la vapeur, notamment en condition acide, qui permet une hydrolyse presque totale de l’hémicellulose et une amélioration importante de l’accessibilité et de la réactivité de la cellulose aux enzymes. Ce prétraitement peut être précédé d’autre(s) traitement(s).
Ainsi, le prétraitement peut généralement comporter trois étapes qui sont la préparation de liqueur, l’imprégnation de la biomasse par cette liqueur et le prétraitement de la biomasse imprégnée, par exemple par cuisson éventuellement couplée à une explosion à la vapeur : Le brevet FR 3 075 203 décrit un procédé avec imprégnation de la biomasse avec une liqueur acide, puis cuisson et explosion à la vapeur de la biomasse imprégnée, avec un ajustement de l’acidité de la liqueur acide et un recyclage de celle-ci. Le brevet FR 3 075 201 décrit également un procédé de prétraitement de la biomasse par imprégnation acide puis explosion à la vapeur, avec en outre un lavage des moyens d’alimentation des réacteurs et recyclage des eaux de lavage dans le procédé.
Les jus sucrés ainsi obtenus à partir de biomasse lignocellulosique, notamment après son prétraitement ou après l’hydrolyse enzymatique dans le cas des sucres dits 2G, se présentent sous forme d’un mélange de sucres en phase aqueuse, où l’on trouve des sucres dits C5 (c’est-à-dire à 5 carbones), comme le xylose et l’arabinose, et des sucres dits C6 (c’est-à-dire à 6 carbones), comme le glucose, le mannose et le galactose.
Notamment dans le cas de jus sucrés de type 2G issus du prétraitement de la biomasse lignocellulosique, on observe pour la majorité des biomasses lignocellulosiques, dans le jus sucré, une proportion de sucres en C5 nettement supérieure à celle des sucres en C6. Par jus sucré, on entend que des sucres sont libérés par le prétraitement, et qu’ils peuvent être solubilisés en mélangeant la biomasse prétraitée avec de l’eau par exemple. Or il existe des débouchés pour des jus sucrés en C5 spécifiquement (par exemple pour convertir le xylose en xylitol). Dans une moindre mesure, ces jus sucrés peuvent aussi contenir du furfural ou des dérivés de furfural, des produits de dégradation des sucres, des alcools carboxyliques, des composés furaniques, qui sont des inhibiteurs de fermentation, ce qui est préjudiciable quand on veut poursuivre la conversion des jus sucrés en alcools par fermentation à l’aide de microorganismes du type levures ou bactéries. Par example, la publication « Removal of the Fermentation Inhibitor, Furfural, Using Activated Carbon in Cellulosic-Ethanol Production » de Kuang Zhang and al. (Industrial & Engineering Chemistry Research 201 1 , 50, 14055-14060) démontre le caractère inhibiteur du furfural à une teneur de 4 g/L pour la bactérie Zymomonas mobiliz A3 lors de fermentations.
Il existe donc un besoin pour séparer ou purifier les sucres C5 des autres sucres, notamment les sucres C6, et éventuellement d’autres composés indésirables, afin d’obtenir des jus de sucres C5 purs, ou tout au moins avec une teneur augmentée en sucres C5 par rapport à d’autres sucres dans le jus sucré.
Différentes techniques de purification/séparation ont déjà été envisagées.
Ainsi, la demande de brevet WO 2022/023686 décrit un traitement de biomasse comprenant un prétraitement puis une hydrolyse enzymatique pour obtenir un jus sucré comprenant du glucose, qui est ensuite clarifié puis purifié par filtration sur charbon actif, afin d’éliminer des matières en suspension et de capter certains contaminants solubles. C’est une technique simple, mais qui ne permet pas de séparer les sucres C5 des sucres C6. La publication « Removal of furfural and HMF from monosaccharides by nanofiltration and reverse osmosis membranes” de Tielin Wang and al. (Journal of the Energy Institute 91 (2018) 473-480) propose de retirer le furfural et son dérivé d’un jus sucré pour augmenter le rendement de la fermentation du jus sucré, par des techniques de nanofiltration et de membranes osmotiques inversées. C’est une technique complexe et coûteuse, et qui ne permet pas de séparer les sucres C5 à la fois des sucres C6 et des dérivés de furfural, sauf à multiplier les opérations de filtration par membranes.
La demande de brevet US 2013/0149761 propose de provoquer la précipitation des composés qui ne sont pas des sucres à l’aide d’hydroxyde de baryum ou de calcium, afin d’obtenir un jus qui ne contient plus que des sucres du type glucose, xylose et autres sucres. Cette technique ne permet donc pas de séparer sélectivement les sucres, mais simplement de retirer du jus sucré des composés minoritaires qui sont des sous-produits du prétraitement de la biomasse.
Le brevet EP3990464 décrit la séparation du glucose, à partir d’un mélange de sucres C5 et de sucres C6, par adsorption de glucose sur un adsorbant zéolithique de type FAU. C’est une méthode intéressante, qui ne permet cependant pas une séparation optimale du glucose, qui présente une sélectivité qui peut être améliorée.
Le brevet EP3990668 décrit la séparation du xylose à partir d’un mélange de sucres C5 et de sucres C6, également par adsorption, ici du xylose, sur un adsorbant zéolithique de type FAU, avec la même limite en termes de sélectivité dans la séparation réalisée. Or, dans un cas (séparation du glucose) comme dans l’autre (séparation du xylose), il peut être nécessaire, selon les applications visées, d’obtenir des sucres séparés extrêmement purs.
L’invention a donc pour but de remédier aux inconvénients précités. Elle a pour but d’améliorer les techniques de séparation sélective de sucres dans un jus sucré comprenant différents sucres, notamment des sucres C5 et des sucres C6, en visant notamment l’obtention de jus enrichi en sucres C5. Par jus « enrichi », on entend que le jus sucré obtenu par l’invention a un ratio de sucres C5/C6 supérieur au ratio du jus sucré obtenu sans l’invention.
Résumé de l’invention
L’invention a tout d’abord pour objet un procédé de traitement d’un mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones, et tel qu’on met en contact ledit mélange en phase aqueuse avec un micro-organisme ne consommant, parmi les sucres du mélange, essentiellement que les sucres C6, afin d’obtenir un mélange appauvri en sucres C6.
On comprend dans le présent texte par « essentiellement que des sucres C6 » le fait que le microorganisme ne consomme pas le ou les autres sucres présents dans le mélange, ou alors dans une proportion si faible qu’elle est négligeable/pas mesurable.
De préférence, le jus sucré initial, est issu en majorité de la dépolymérisation des hémicelluloses présents dans la biomasse lignocellulosique. De préférence, le jus sucré contient plus de sucres C5 que de sucres C6 en poids. De préférence, le jus sucré est obtenu sans ajout d’enzymes. Enfin, de préférence, le jus sucré initial est obtenu à l’issue du prétraitement d’une biomasse lignocellulosique.
On comprend ici par « issu en majorité » le fait qu’au moins la moitié du jus sucré initial en question provient de la dépolymérisation en question (notamment la totalité).
L’invention a ainsi mis au point une nouvelle technique de séparation des sucres C5 et C6 dans un jus sucré, en sélectionnant un micro-organisme qui va sélectivement consommer le sucre, ici le sucre C6, que l’on veut retirer du jus sucré, afin d’obtenir un jus dit purifié en sucres C5, valorisable dans l’industrie chimique notamment. C’est une séparation par voie biochimique, plutôt que par voie physique ou chimique, qui est très intéressante : elle est à la fois plus simple à mettre en oeuvre que des techniques connues de filtration, et nettement plus performante et sélective.
Au sens de l’invention, le micro-organisme peut être un seul type de microorganisme ou une association de différents microorganismes.
Au sens de l’invention, le terme de « mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones » pourra aussi être désigné, par soucis de concisio,n sous le terme de « jus sucré initial »
Au sens de l’invention, le terme «mélange appauvri en sucres C6 » pourra aussi être désigné, par soucis de concision, sous le terme de « jus purifié » ou encore de « jus appauvri ». Au sens de l’invention, on comprend par « sucres » des sucres sous leur forme monomérique (et non sous une forme oligomérique/polymérique). Au sens de l’invention, « jus » est équivalent à un mélange de composés en phase aqueuse : le jus est aqueux.
Le microorganisme va consommer le sucre C6 au moins pour sa propre maintenance ou croissance : le sucre C6 disparaît ainsi. Il peut aussi, selon la quantité de sucres C6 présente dans le jus sucré et selon la quantité et le type de microorganisme choisi, convertir le sucre en un autre composé valorisable. (A noter cependant que le microorganisme peut aussi consommer une très faible quantité de sucre en C5 comme le xylose, mais il reste essentiellement consommateur en sucres C6).
Ainsi, avantageusement, le micro-organisme convertit au moins une partie, notamment la majorité, des sucres C6 en alcool, notamment en éthanol. La conversion en alcool n’est pas complète car le microorganisme peut utiliser un peu de sucres pour des sous-produits non- alcools ou pour son métabolisme. On comprend ici par « la majorité » le fait que le microorganisme peut convertir au moins la moitié des sucres C6 en éthanol (notamment plus que la moitié, par exemple au moins les deux tiers desdits sucres C6, voire quasiment leur totalité).
Or l’éthanol est un produit hautement valorisable, que l’on va plus aisément pouvoir séparer du jus sucré. On peut par exemple séparer l’éthanol d’un mélange aqueux par distillation ou par entraînement par strippage. Le micro-organisme peut être séparé par une opération de séparation solide/liquide connue de l’homme du métier comme la centrifugation par exemple.
Le mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones (le jus sucré initial) peut aussi comprendre du furfural, notamment quand le jus sucré est issu du prétraitement de biomasse lignocellulosique en conditions acides. Dans ce cas, on peut choisir le microorganisme pour qu’il consomme aussi du furfural, notamment par conversion d’au moins une partie du furfural en alcool, notamment en alcool furfurylique. Là encore, cette consommation est très intéressante, dans la mesure où le furfural est connu pour être un inhibiteur vis-à-vis de réactions fermentaires : on améliore ainsi la productivité et les rendements d’éventuelles conversions biochimiques prévues pour le jus purifié.
Le mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones (le jus sucré initial) peut aussi comprendre du 5-hydroxyméthyl furfural (5-HMF), notamment quand le jus sucré est issu du prétraitement de biomasse lignocellulosique en conditions acides. Dans ce cas, on peut choisir le microorganisme pour qu’il consomme aussi du 5-hydroxymethyl furfural, notamment par conversion d’au moins une partie du 5-hydroxymethyl furfural notamment en alcool 5-hydroxyméthyfurfurylique. Là encore, cette consommation est très intéressante, dans la mesure où le 5-HMF est également connu pour être un inhibiteur vis-à-vis de réactions fermentaires : on améliore ainsi les rendements d’éventuelles conversions biochimiques prévues pour le jus purifié. Le mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones (le jus sucré initial) peut aussi comprendre d’autres composés de dégradation des sucres en C5 ou C6, notamment des composés furaniques, des acides organiques, des composés à haut poids moléculaire, notamment quand le jus sucré est issu du prétraitement de biomasse lignocellulosique à haute température ou par solvant. Ce qui est avantageux, et surprenant, dans le procédé de traitement de l’invention, c’est que ce traitement reste performant même quand le jus sucré initial contient ce type de composés, alors qu’on aurait pu craindre qu’ils ne jouent potentiellement un rôle d’inhibiteur(s) vis-à-vis de la conversion des sucres C6 selon l’invention.
Le mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones peut aussi comprendre des sels minéraux.
Le mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones peut aussi comprendre des sucres sous forme oligomérique.
Le micro-organisme peut avantageusement être choisi parmi les levures, les bactéries, les champignons.
Il peut par exemple être choisi parmi les levures dans le genre Saccharomyces, notamment l’espèce Saccharomyces cerevisae ou, parmi bactéries, dans le genre Corynebacterium, notamment l’espèce Corynebacterium, Zymomonas mobilis. Le choix de Saccharomyces cerevisae, notamment, est intéressant, car la souche sauvage consomme naturellement les sucres C6, mais pas les sucres C5, et des travaux ont porté pour le modifier génétiquement afin qu’il soit justement apte à consommer les deux types de sucres : l’invention préconise ainsi de revenir à la version non modifiée génétiquement de cette levure/la version native, justement pour exploiter sa sélectivité vis-à-vis des sucres, jusque-là perçue comme un inconvénient.
De préférence, le traitement du mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones avec le micro-organisme est réalisé à une température comprise entre 20 et 60°C, notamment entre 25 et 40°C, notamment entre 30 et 35°C. La température du traitement est à adapter en fonction du microorganisme choisi, chaque microorganisme ayant une plage de température où son activité est maximale.
Avantageusement, le traitement du mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones avec le micro-organisme a une durée comprise entre 5 minute et 15 heures, notamment entre 10 minutes et 8 heures. Le traitement peut s’effectuer en batch, en fed-batch de jus sucré, ou en continu.
Le microorganisme sélectionné qui va sélectivement consommer le sucre C6 selon l’invention peut être ajouté en une seule fois directement avec le jus sucré, ou avec une alimentation séquentielle, indépendamment ou non de l’alimentation du jus sucré.
Là encore, la durée du traitement est à ajuster en fonction du type et de la quantité de microorganisme utilisée, en fonction de la quantité de sucres C6 dans le jus sucré, en fonction de la quantité de sucres C6 qu’on souhaite diminuer dans le jus sucré, en fonction de la quantité de composés dits inhibiteurs du micro-organismes (des composés furaniques comme le furfural ou le 5-hydroxymethyl furfural, des acides carboxyliques comme l’acide acétique ou l’acide formique, ou des composés phénoliques) pour la levure Saccharomyces Cerevisae et en fonction de la teneur finale en sucres C6 acceptable dans le jus purifié.
De préférence, le traitement du mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones avec le micro-organisme est opéré à un pH compris entre 2 et 10, notamment entre 4 et 6, notamment entre 4,5 et 5,5.
Le traitement du mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones avec le micro-organisme peut être opéré en condition aérobie ou anaérobie, selon le microorganisme choisi et le produit désiré de la consommation des sucres.
Avantageusement, la concentration en micro-organismes dans le mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones est comprise entre 1 et 200 g/kg de sucres C6, notamment entre 10 et 30 g/kg de sucres C6.
Le mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones est de préférence issu de traitement de biomasse, notamment lignocellulosique, provenant notamment de résidus forestiers et/ou agricoles et/ou papetiers, et/ou de plantes saccharifères et/ou de plantes amylacées et/ou de Fractions Fermentescibles d’Ordures Ménagères (FFOM).
Le mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones peut être issu d’une opération de lavage de la biomasse, ou d’une hydrolyse ou prétraitement de la biomasse comprenant notamment une imprégnation de la biomasse par une liqueur acide ou basique ou oxydante suivie d’une cuisson de la biomasse imprégnée, notamment une cuisson avec explosion à la vapeur. Le mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones peut être issu d’une étape de séparation solide/liquide mettant en oeuvre une biomasse prétraitée par explosion à la vapeur repulpée avec un solvant (de l’eau par exemple).
L’invention a également pour objet le jus purifié obtenu selon le traitement de l’invention : elle a ainsi aussi pour objet un mélange de composés en solution aqueuse, qui comprend des sucres en C5 et des produits de conversion des sucres en C6 et éventuellement des autres composés minoritaires présents dans le jus à purifier.
Par exemple ces produits de conversion des sucres en C6 et autres composés minoritaires sont des alcools tels que de l’éthanol, de l’alcool 5-hydroxyméthyfurfurylique et de l’alcool furfurylique, notamment dans les concentrations suivantes ; - sucres C5 : entre 10 et 100 g/kg de solution, notamment entre 20 et 60 g/kg de solution- éthanol : entre 1 et 12 g/kg de solution, notamment entre 2 et 7 g/kg de solution- alcool 5-hydroxyméthyfurfurylique : entre 0,1 et 9 g/kg de solution, notamment entre 0,2 et 4 g/kg de solution- alcool furfurylique : entre 0,05 et 9 g/kg de solution, notamment entre 0,1 et 3,8 g/kg, notamment entre 0,1 et 1 ,8 g/kg de solution
Le jus purifié selon l’invention peut ainsi contenir des alcools, notamment un alcool qui est issu de la conversion des sucres C6 sous l’action du microorganisme, par exemple l’éthanol, le butanol ou l’isopropanol, et des alcools issus notamment de la conversion des deux inhibiteurs (furfural et 5-HMF), également sous l’action du microorganisme.
Les produits de conversion des sucres C6 peuvent être également des micro-organismes eux- mêmes, notamment des levures, dans le cas où le traitement selon l’invention est réalisé en conditions aérobies. Les sucres C6 sont consommés par le microorganisme pour sa propre croissance ou maintenance
Avantageusement, le jus purifié selon l’invention contient moins de 0,5 g/kg de solution de sucres C6, et de préférence aucun sucre C6, moins de 0,1 g/kg de solution de furfural, notamment aucun furfural, et moins de 0,1 g/kg de solution de 5-hydroxymethyl furfural, notamment aucun 5-hydroxymethyl furfural. Avec l’invention, on peut donc aller jusqu’à supprimer complètement (par consommation ou conversion) tout le sucre C6 du jus sucré initial, et il en est de même pour les deux dérivés furaniques : selon les contraintes de degré de pureté du jus purifié en sucres C5, on peut donc éliminer le sucre C6, ou tout au moins le maintenir à une teneur très faible, au niveau d’une teneur acceptable en impuretés par exemple. Avantageusement, le jus purifié contient les composés suivants :
- glucose : entre 0 et 0,3 g/kg de solution xylose : entre 9 et 91 g/kg de solution
- arabinose : entre 1 et 9 g/kg de solution
- galactose : entre 0 et 0,1 g/kg de solution
- mannose : entre 0 et 0,1 g/kg de solution
- alcool 5-hydroxyméthyfurfurylique : entre 0,1 et 9 g/kg de solution
- alcool furfurylique : entre 0,05 et 3,8 g/kg de solution
Ce jus purifié est de préférence obtenu à partir d’un mélange en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 avec 5 carbones et des sucres C6 avec 6 carbones selon le procédé de l’invention.
Le jus purifié selon l’invention peut aussi contenir des alcools carboxyliques, comme de l’acide acétique, de l’acide formique ou de l’acide lévullinique, Avantageusement le jus purifié selon l’invention contient moins de 8 g/kg d’acide acide acétique, de préférence moins de 5 g/kg d’acide acétique. Le jus purifié selon l’invention peut aussi contenir des sucres sous forme oligomérique, par exemple des composés de type arabinoxylanes, des oligomères de pentoses et d’hexose. Avantageusement le jus purifié selon l’invention contient entre 0% et 100% de sucres oligomères par rapport aux sucres monomères, de préférence entre 0,1% et 50%, notamment entre 0,1 % et 20% de sucres oligomères par rapport aux sucres monomères.
L’invention a également pour objet l’utilisation du mélange traité selon l’invention/décrit plus haut (jus purifié), qui est donc un jus sucré à très haute teneur en sucres C5 (par rapport à des sucres C6), pour convertir les sucres C5 par voie chimique, notamment pour convertir le xylose en xylitol, ou par voie biochimique, notamment pour servir de substrat carboné pour la propagation de levures ou pour l’induction de champignons pour la production d’enzymes. Le xylose est considéré comme une molécule plateforme, et de nombreuses voies de valorisation sont possibles (xylitol, monoéthylène glycol, propanol, butanol, acide lactique, acide succinique ...).
L’invention sera décrite ci-après de façon plus détaillée, à l’aide d’exemples non limitatifs et des figures suivantes : Liste des figures
La figure 1 est une représentation très schématique d’un réacteur mettant en oeuvre le traitement selon l’invention, et représentant les composés d’intérêt entrant et sortant du réacteur.
La figure 2 est un graphe représentant en abscisse la durée du traitement selon l’invention (en heures) et en ordonnée l’évolution des concentrations en composés d’un mélange de sucres traité selon l’invention, en g/kg de milieu réactionnel.
Les abréviations dans la figure 2 signifient : glu : glucose xyl : xylose ara : arabinose gal : galactose man : mannose
La figure 3 est une représentation très schématique d’un réacteur mettant en oeuvre le traitement selon l’invention, et représentant les composés d’intérêt entrant et sortant du réacteur en conditions aérobies, pour propager les microorganismes (levures).
Description des modes de réalisation
L’invention cherche donc, en partant d’un jus sucré contenant des sucres en C5 et des sucres en C6 (et de préférence que ces deux types de sucres), à obtenir un jus dit purifié où la teneur en sucres C6 a été diminuée, voire supprimée, par un traitement biochimique.
Le traitement biochimique est une mise en contact du jus sucré en sucres C5 et C6, jus obtenu par traitement de matière à base de biomasse lig nocellu losique et comprenant majoritairement du sucre en C5, avec un microorganisme qui consomme sélectivement les sucres en C6 : les sucres en C5 ne sont pas modifiés, restent quasi-intacts dans le jus, alors que les sucres en C6 vont progressivement être consommés par le microorganisme pour sa propre croissance et/ou pour être convertis en un autre composé, sous forme d’alcool dans le cas où la réaction biochimique est une fermentation. Les conditions opératoires du traitement sont adaptées en fonction de la teneur initiale en sucres C6 et de la teneur finale en sucres C6 qui est acceptable (plus de sucres C6 du tout, ou une teneur inférieure à une valeur donnée) : température, pH, durée, aération, choix et concentration du microorganisme.
Exemples
Exemple 1 (comparatif)
On part d’un jus sucré initial JO issu de biomasse prétraitée par imprégnation acide de la biomasse puis explosion à la vapeur, conformément à l’enseignement du brevet FR 3 083 126 précité, auquel on se rapportera pour plus de détails.
Succinctement, ce prétraitement est une opération d’imprégnation de biomasse lignocellulosique par une liqueur acide, suivie par une opération d’explosion vapeur de la biomasse imprégnée. Au moins une partie de la biomasse prétraitée subit une opération de séparation liquide/solide à l’issue de l’étape de prétraitement, cette étape de séparation liquide/solide comprenant une étape de contactage entre la biomasse lignocellulosique prétraitée et de l’eau, et une étape de filtration et optionnellement de lavage. Pour obtenir le jus JO, 550 kg de biomasse prétraitée sont mélangés avec 1010 kg d’eau, puis filtrés puis pressés. Après filtration et pressage, 885 kg d’un jus JO, appelé aussi hydrolysat C5, est obtenu. Le prétraitement se déroulant dans des conditions acides, ce jus a un pH de 2.
La concentration en composés d’intérêt de ce jus JO est donnée dans le tableau 1 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. . A noter qu’il est possible que la composition contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, par exemple du type sel (minéral) ou acide, dans de très faibles teneurs.
[Table 1]
Figure imgf000014_0001
On voit que 82% des sucres du jus JO sont des sucres C5, que 18% des sucres sont des sucres C6, et que sont également présents, en des teneurs bien inférieures aux sucres, du 5- HMF et du furfural, connus pour inhiber des réactions biochimiques qu’on peut envisager d’opérer sur les sucres par la suite (par exemple pour des fermentations éthanoliques à partir de levures).
Les jus sucrés issus de biomasse prétraitée comprennent généralement une quantité bien supérieure de sucres C5 à celle des sucres C6, et il y a un besoin, pour les valoriser, de séparer les sucres C5 des sucres C6. Or les techniques actuellement disponibles sont peu satisfaisantes (filtrations par membrane notamment), car elles sont complexes à mettre en oeuvre et ne permettent généralement pas d’atteindre dans le jus séparé de sucres C5 le niveau de pureté en sucres C5 recherché.
Par exemple, la publication « Removal of furfural and HMF from monosaccharides by nanofiltration and reverse osmosis membranes” de Tielin Wang and al. (Journal of the Energy Institute 91 (2018) 473-480) conclut que les membranes les plus performantes pour séparer le 5-HMF et le furfural d’un jus sucré sont les membranes Desal-5 DK et Alfa Laval-NF (moins de 2% de rétention pour le 5-HMF et le furfural) mais qu’elles conduisent à une perte de sucres trop importante (de 2 à 8% pour le glucose et de 10 à 20% pour le xylose).
La publication « Removal of the Fermentation Inhibitor, Furfural, Using Activated Carbon in Cellulosic-Ethanol Production » de Kuang Zhang and al. (Industrial & Engineering Chemistry Research 201 1 , 50, 14055-14060) conclut quant à elle que le charbon actif commercial Norit_1240 de Norit Company peut réduire sélectivement la concentration en furfural d’une solution modèle de jus sucré de 4 g/L à 0 g/L, mais les sucres C6 (ici le glucose) ne sont pas sélectivement séparés des sucres C5 (ici le xylose).
Exemple 2 (selon l’invention)
On part du jus sucré J0 défini à l’exemple 1 . On conduit une fermentation du jus J0 avec un microorganisme, la levure Saccharomyces cerevisae, dans une version native, non modifiée génétiquement, et qui présente la particularité de consommer sélectivement les sucres C6, et pas les sucres C5.
La levure est ensemencée à 0,5 g de levures par kg de solution, soit 60 g levures par kg de sucres C6. L’expérimentation a été menée dans un bioréacteur pendant 6 heures, à 33°C et pH 5,3. Le traitement a été réalisé en conditions anaérobies pour maximiser la production d’éthanol à partir des sucres C6 par fermentation, et non la production de biomasse. Cette réaction peut s’effectuer en batch, en fed-batch ou en continu. On peut ensuite les séparer pour les traiter/valoriser séparément.
Les réactions qui résultent de l’action de la levure sont schématisées dans la figure 1 , qui représente le bioréacteur 1 , avec les intrants suivants :
2 : la levure
3 : une base (pour réguler le pH et maintenir le milieu réactionnel dans les conditions nécessaires à l’activité de la levure choisie), de type NH4OH, KOH ou NaOH par exemple
4 : des nutriments pour la levure
5 : le jus JO, qui contient en phase aqueuse des sucres C5 51 , des sucres C6 52, du 5-HMF 53 et du furfural 54, et avec les produits sortants :
6 : émission de CO2 en phase gazeuse, évacué en partie haute du bioréacteur, témoin de l’activité de la levure,
5’ : soutirage d’un jus J1 , issu du jus JO après action de la levure sur le jus JO, et qui contient la levure 2, des sucres C5 51 , de l’alcool 5-hydroxyméthylfurfurylique 55, de l’alcool furfurylique 56, de l’éthanol 57 et des levures 2.
Les quantités d’intrants (outre les concentrations indiquées plus haut) sont précisées ci- dessous : Dans une cuve agitée, 985 kg de jus JO sont mélangés avec :
- 0,4 kg d’urée (pour les besoins en azote)
- 0,5 kg de levures sèches S. Cerevisae
- 5 kg d’extrait de levures (nutriments)
- 9,1 kg d’une solution de KOH à 50%pds pour ajuster le pH à 5,3
La concentration en composés d’intérêt du mélange à l’état initial est donnée dans le tableau 2 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de jus. A noter qu’il est possible que la composition contienne des impuretés autres, qu’on n’a pas cherché à analyser, du type sel ou acide, dans de très faibles teneurs. [Table 2]
Figure imgf000017_0001
En début de réaction, le milieu réactionnel contient :
- 8,3 kg de sucres C6 (glucose + galactose + mannose)
- 37,3 kg de sucres C5 (xylose + arabinose)
- 0,4 kg de 5-HMF
- 0,2 kg de furfural
La conduite de la fermentation est détaillée ci-après :
La fermentation a duré 6 heures et montre que le glucose, le galactose et le mannose (sucres C6, en traits pointillés) sont totalement consommés. L’arabinose et le xylose (sucres C5) ne sont pas consommés. Le furfural et le 5-HMF ont été consommés par la levure qui détoxifie son milieu, pour produire de l’alcool furfurylique et de l’alcool 5-hydroxymethyl furfurylique (aussi appelé 2,5-Bis(hydroxy méthyl)furane) qui n’inhibent pas la levure.
On a donc constaté que le jus initial JO, composé de 45,6 kg de sucres monomères (18% sucres C6/82% sucres C5) est purifié en quelques heures en un jus J1 composé de 37,3 kg de sucres monomères (0% sucres C6 et 100% de sucres C5).
En conditions anaérobies, à 33°C et à pH 5,3, les levures consomment les sucres C6 (majoritairement pour produire de l’éthanol) et les inhibiteurs (5-HMF et furfural) en six heures.
En fin de réaction, le milieu contient un jus J1 dont la composition est donnée dans le tableau 2 ci-dessous, avec des concentrations exprimées en g par kg de milieu : [Table 3]
Figure imgf000018_0001
On a donc au bout de 6 heures de réaction :
- 0 kg de sucres C6 (glucose + galactose + mannose), soit une consommation de 100% des sucres C6
- 37,3 kg de sucres C5 (xylose + arabinose), soit une consommation de seulement 1 .6% des sucres C5
- 0 kg de 5-HMF, soit une consommation de 100% du 5-HMF
- 0 kg de furfural, soit une consommation de 100% du furfural - 0,4 kg d’alcool 5-hydroxymethylfurfurlique
- 0,2 kg d’alcool furfurylique
2,9 kg d’éthanol, soit un rendement éthanol/sucres C6 de 0.35 kgéthanoi/kgSUcres ce
La figure 2 représente l’évolution des teneurs des composés du jus JO pendant toute la durée de la fermentation, par prélèvements et analyses.
Les données du tableau 2 et du graphe de la figure 2 confirment que la levure n’a aucune action sur les sucres C5, dont la teneur reste constante. En revanche, la levure a consommé entièrement à la fois tous les sucres C6 et les deux inhibiteurs, pour les convertir au moins en partie en alcools (une autre partie pouvant être consommée par la levure pour sa propre croissance). Le traitement par la levure donne donc des résultats spectaculaires, avec un jus purifié en sucres C5 qui ne contient plus du tout de sucres C6 et dont les inhibiteurs ont été, simultanément, totalement éliminés également.
Le fait qu’une partie au moins des sucres C6 ait été transformée en éthanol est également très avantageux, car l’éthanol est un produit hautement valorisable et pouvant être produit dans les procédés traitant de biomasse lignocellulosique.
On observe aussi des données du graphe de la figure 2 que la durée de la fermentation pour que les sucres C6 soient entièrement consommés est de 6 heures, ce qui est une durée raisonnable, qui peut encore être abaissée en jouant, notamment, sur la quantité de levure ajoutée, ou si des teneurs abaissées mais non nulles en sucres C6 sont acceptables. Des expériences ont été ainsi réalisées avec succès avec des durées de fermentation bien moindres, notamment de 30 minutes à 2 heures, par exemple une durée d’environ 1 heure.
En conclusion, l’invention parvient à purifier des mélanges de sucres pour obtenir des jus contenant le type de sucres que l’on veut conserver, en choisissant un micro-organisme sélectif, qui peut en outre, optionnellement, consommer/éliminer également dans les mélanges de sucres des composés indésirables/des impuretés, et notamment des inhibiteurs de réactions biochimiques comme des dérivés furaniques. Sa mise en oeuvre est simple, en une étape de fermentation, et son efficacité redoutable, avec des éliminations éventuellement complètes des composés qu’on veut retirer des jus sucrés.
Exemple 3 (selon l’invention) On part du jus sucré JO défini à l’exemple 1. On conduit une fermentation aérobie du jus JO avec un microorganisme, la levure Saccharomyces cerevisae, dans une version native, non modifiée génétiquement, et qui présente la particularité de consommer sélectivement les sucres C6, et pas les sucres C5.
L’expérimentation a été menée dans un bioréacteur pendant 30 heures, à 30°C et pH 5. Le traitement a été réalisé en conditions aérobies aérobies (à 0,1 vvm, volume d’air par volume de milieu par minute) pour maximiser la production de biomasse et non la production d’éthanol à partir des sucres C6. Cette réaction peut s’effectuer en batch, en fed-batch ou en continu. Dans cet exemple, la réaction s’effectue en fed-batch de jus sucré durant 24h puis d’une durée de mélange supplémentaire de 6h sans fed-batch.
Les réactions qui résultent de l’action de la levure sont schématisées dans la figure 3, qui représente le bioréacteur 1 , avec les intrants suivants :
2 : la levure
3 : une base (pour réguler le pH et maintenir le milieu réactionnel dans les conditions nécessaires à l’activité de la levure choisie), de type NH4OH, KOH ou NaOH par exemple
4 : des nutriments pour la levure
5 : le jus JO, qui contient en phase aqueuse des sucres C5 51 , des sucres C6 52, du 5-HMF 53, du furfural 54, et de l’acide acétique 60 et avec les produits sortants :
6 : émission de CO2 en phase gazeuse, évacué en partie haute du bioréacteur, témoin de l’activité de la levure,
5’ : soutirage d’un jus J1 , issu du jus JO après action de la levure sur le jus JO, et qui contient la levure 2 propagée, des sucres C5 51 , de l’alcool 5-hydroxyméthylfurfurylique 55 et de l’alcool furfurylique 56.
7 : une alimentation en air pour être en condition aérobie
Les quantités d’intrants (outre les concentrations indiquées plus haut) sont précisées ci- dessous : Dans une cuve agitée, 505,4 kg d’eau sont mélangés avec :
- 12,1 kg d’urée (pour les besoins en azote)
- 2 kg d’alcali à 23,5%pds (nutriment pour la levure)
- 0,5 kg d’acide phosphorique (nutriment pour la levure) - 4,5 kg d’un cocktail de minéraux (nutriments pour la levure)
- 1 ,8 kg d’acide sulfurique à 37%pds pour diminuer le pH à 5,0
- 1 ,8 kg de levures sèches S. Cerevisae
Le jus sucré est ensuite ajouté durant 24 heures à un débit linéaire de 19,54 kg/h. Au total, 469 kg de jus sucré sont ajoutés en fed-batch. 2,8 kg d’alcali à 23,5%pds sont également ajoutés pour réguler le pH à 5,0.
Le fed-batch de 469 kg de jus sucré a ajouté au milieu :
- 3,9 kg de sucres C6 (glucose + galactose + mannose)
- 17,5 kg de sucres C5 (xylose + arabinose)
- 0,2 kg de 5-HMF
- 0,1 kg de furfural
- 0,6 kg d’acide acétique
- 1 ,8 kg de levures
La conduite de la fermentation est détaillée ci-après :
La fermentation aérobie a duré 30 heures (24 heures de fed-batch de jus sucré et 6 heures de mélange) et montre que le glucose, le galactose et le mannose sont consommés à 91%. L’arabinose et le xylose (sucres C5) ne sont pas consommés. Le furfural et le 5-HMF ont été consommés à 100% par la levure qui détoxifie son milieu, pour produire de l’alcool furfurylique et de l’alcool 5-hydroxymethyl furfurylique (aussi appelé 2,5-Bis(hydroxy méthyl)furane) qui n’inhibent pas la levure. L’acide acétique a également été consommé à 100%.
On a donc constaté que le jus initial JO, composé de 21 ,4 kg de sucres monomères (18% sucres C6/82% sucres C5) est purifié en 30 heures en un jus J1 composé de 17,3 kg de sucres monomères (2% sucres C6 et 98% de sucres C5) tout en multipliant les levures d’un facteur de multiplication de 2,1.
On a donc au bout de 30 heures :
- 0,3 kg de sucres C6 (glucose + galactose + mannose), soit une consommation de 91% des sucres C6
- 17 kg de sucres C5 (xylose + arabinose), soit une consommation de seulement 2,6% des sucres C5 - 0 kg de 5-HMF, soit une consommation de 100% du 5-HMF
- 0 kg de furfural, soit une consommation de 100% du furfural
- 0,2 kg d’alcool 5-hydroxymethylfurfurlique
- 0,1 kg d’alcool furfurylique
- 0 kg d’acide acétique, soit une consommation de 100% de l’acide acétique
- 3,8 kg de levures, soit un facteur de multiplication de 2,1 .
La levure n’a donc aucune action sur les sucres C5, dont la teneur reste constante. En revanche, la levure a consommé entièrement à la fois tous les sucres C6 et les deux inhibiteurs (5-HMF et furfural) ainsi que l’acide acétique, pour les convertir au moins en partie en alcools (une autre partie pouvant être consommée par la levure pour sa propre croissance). Le traitement par la levure donne donc des résultats spectaculaires, avec un jus purifié en sucres C5 qui ne contient plus du tout de sucres C6, dont les inhibiteurs ont été, simultanément, totalement éliminés également tout en multipliant la levure.
En conclusion, l’invention parvient à purifier des mélanges de sucres pour obtenir des jus contenant le type de sucres que l’on veut conserver, en choisissant un micro-organisme sélectif, qui peut en outre, optionnellement, consommer/éliminer également dans les mélanges de sucres des composés indésirables/des impuretés, et notamment des inhibiteurs de réactions biochimiques comme des dérivés furaniques. Sa mise en oeuvre est simple, en une étape de fermentation aérobie, et son efficacité redoutable, avec des éliminations éventuellement complètes des composés qu’on veut retirer des jus sucrés.
Elle permet l’obtention de jus de sucres C5 très purs, avec pas ou une très faible teneur en sucres C6, avec une pureté qui n’avait jusque là pas pu être atteinte par des méthodes de séparation, du type adsorption sélective sur des zéolithes, comme décrit dans les brevets cités au préambule de la présente demande.
Elle est en outre très intéressante, en ce qu’elle conduit non pas vraiment à opérer une séparation entre deux types de sucres, mais à obtenir un type de sucre très pur, et à convertir l’autre sucre (sucre C6) en un produit valorisable comme de l’éthanol. Avec l’association des sucres C5 et de l’éthanol issu de la conversion des sucres C6 obtenue avec le procédé selon l’invention, plusieurs possibilités s’offrent, notamment selon les voies de valorisation envisagées et la proportion entre les deux types de sucres dans le jus sucré initial. Ainsi, on peut ensuite séparer les sucres C5 de l’éthanol, et obtenir d’une part des sucres C5 très purs et d’autre part de l’éthanol, valorisables séparément. On peut aussi les garder ensemble pour une valorisation commune. On peut encore regarder une faible teneur en éthanol avec les sucres C5, pour bénéficier de l’effet conservateur de l’alcool sur les sucres ....
5

Claims

Revendications
1 . Procédé de traitement d’un mélange (JO) en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 (51 ) avec 5 carbones, des sucres C6 (52) avec 6 carbones et dont la teneur en poids de sucres C5 est supérieure à la teneur en poids de sucres C6, du furfural (54), et du 5-hydroxyméthyl furfural 5-HMF (54), caractérisé en ce qu’on met en contact ledit mélange en phase aqueuse avec un micro-organisme (2) choisi parmi les levures dans le genre Saccharomyces, notamment l’espèce Saccharomyces cerevisae, ne consommant, parmi les sucres du mélange, que les sucres C6 (52), afin d’obtenir un mélange appauvri en sucres C6, en ce que le micro-organisme consomme du furfural, notamment par conversion du furfural en alcool, notamment en alcool furfurylique (56), et en ce que le micro-organisme consomme aussi du 5-hydroxymethyl furfural, notamment par conversion du 5-hydroxymethyl furfural en alcool 5-hydroxyméthyfurfurylique (55), ledit procédé est réalisé à une température comprise entre 20 et 60°C, a une durée comprise entre 5 minutes et 15 heures, en condition anaérobie, et à un pH compris entre 2 et 10, caractérisé en ce que ledit micro-organisme (2) convertit au moins une partie, notamment la majorité, des sucres C6 (52) en alcool (57), notamment en éthanol.
2. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement du mélange (JO) en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 (51 ) avec 5 carbones et des sucres C6 (52) avec 6 carbones avec le micro-organisme (2) est réalisé à une température comprise entre 25 et 40°C.
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement du mélange (JO) en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 (51 ) avec 5 carbones et des sucres C6 (52) avec 6 carbones avec le micro-organisme (2) a une durée comprise entre 10 minutes et 8 heures.
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement du mélange (JO) en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 (51 ) avec 5 carbones et des sucres C6 (52) avec 6 carbones avec le micro-organisme (2) est opéré à un pH compris 4 et 6.
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la concentration en micro-organismes (2) dans le mélange (JO) en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 (51 ) avec 5 carbones et des sucres C6 (52) avec 6 carbones est comprise entre 1 et 200 g/kg de sucres C6, notamment entre 10 et 30 g/kg de sucres C6.
6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange (JO) en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5(51 ) avec 5 carbones et des sucres C6 (52) avec 6 carbones est issu de traitement de biomasse, notamment lignocellulosique, provenant notamment de résidus forestiers et/ou agricoles et/ou papetiers, et/ou de plantes saccharifères et/ou de plantes amylacées et/ou de Fractions Fermentescibles d’Ordures Ménagères (FFOM).
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le mélange (JO) en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5 (51 ) avec 5 carbones et des sucres C6 (52) avec 6 carbones est issu d’une opération de lavage de la biomasse, ou d’une hydrolyse ou prétraitement de la biomasse comprenant notamment une imprégnation de la biomasse par une liqueur acide ou basique ou oxydante suivie d’une cuisson de la biomasse imprégnée, notamment une cuisson avec explosion à la vapeur.
8. Mélange (J1 ) de composés en solution aqueuse obtenu selon le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il est obtenu à partir d’un mélange (JO) en phase aqueuse de composés comprenant des sucres C5(51 ) avec 5 carbones et des sucres C6 (52) avec 6 carbones.
9. Mélange (J1 ) de composés en solution aqueuse selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend des sucres en C5 (51 ), de l’éthanol (57), de l’alcool 5- hydroxyméthyfurfurylique (55) et de l’alcool furfurylique (56), notamment dans les concentrations suivantes ;
- sucres C5 : entre 10 et 100 g/kg de solution
- éthanol : entre 1 et 12 g/kg de solution
- alcool 5-hydroxyméthyfurfurylique : entre 0,1 et 8,6 g/kg de solution
- alcool furfurylique : entre 0,05 et 3,6 g/kg de solution
10. Mélange (J1 ) selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu’il contient moins de 0,3 g/kg de solution de sucres C6 (52), et de préférence aucun sucre C6, moins de 0,1 g/kg de solution de furfural (54), notamment aucun furfural, et moins de 0,1 g/kg de solution de 5- hydroxymethyl furfural (53)l, notamment aucun 5-hydroxymethyl furfural.
11. Mélange (J1 ) selon l’une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend : - glucose : entre 0 et 0,3 g/kg de solution - xylose : entre 9 et 91 g/kg de solution
- arabinose : entre 1 et 9 g/kg de solution
- galactose : entre 0 et 0,1 g/kg de solution
- mannose : entre 0 et 0,1 g/kg de solution - alcool 5-hydroxyméthyfurfurylique : entre 0,1 et 9 g/kg de solution
- alcool furfurylique : entre 0,05 et 3,8 g/kg de solution
12. Utilisation du mélange (J1 ) selon l’une des revendications 8 à 1 1 pour convertir les sucres C5 (51 ) par voie chimique, notamment pour convertir le xylose en xylitol , ou par voie biochimique, notamment pour servir de substrat carboné pour la propagation de levures ou pour l’induction de champignon, s pour la production d’enzymes.
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