Détoxification de condensats de distillerie par osmose inverse, échange d’ions et leur combinaison

Introduction : de la betterave sucrière aux biocarburants

Sucrerie de betterave

La production du saccharose à partir de la betterave comprend plusieurs étapes de transformation. Chacune d’elles génère des sous-produits, avant la production de sucre cristallisé tel que nous l’utilisons quotidiennement. Les différentes étapes sont brièvement décrites ciaprès. (Mc Ginnis 1982, Decloux 2002). Après réception, les betteraves sont nettoyées et acheminées vers un coupe-racine pour être découpées en cossettes (fines lamelles). Ces cossettes sont ensuite échaudées par un jus de diffusion à haute température, qui permet de dénaturer les cellules de betterave. Le saccharose peut alors diffuser depuis les cellules vers le jus. Le jus est ensuite débarrassé de ses impuretés par précipitation calco-carbonique après ajout de chaux, puis concentré par évaporation dans une installation à multiples effets. On obtient alors du sirop, contenant 65 à 70% de matière sèches pour 100 g, dont 92 à 94% de saccharose. L’étape de cristallisation permet l’extraction et la purification du sucre contenu dans le sirop et se déroule généralement en 3 étapes, appelées « jets ». On récupère du saccharose d’une pureté proche de 100% et des égouts pauvres (sirop impur non cristallisé ou « eau-mère ») ou de la mélasse, produit ultime non cristallisable.

De la sucrerie à la biodistillerie

Production d’alcool par fermentation

La fermentation, pour la production d’alcool, représente la principale voie de valorisation des sous-produits issus de la fabrication du sucre : mélasse, égouts pauvres, sirop. Grâce à leur teneur élevée en saccharose, ils constituent un substrat idéal pour les levures. Cependant, ils doivent être dilués pour que les levures puissent assimiler le saccharose qu’ils renferment. La fermentation alcoolique par la levure Saccharomyces cerevisiae produit de l’éthanol et du dioxyde de carbone. Le « vin », produit issu de l’étape de fermentation, contient de l’ordre de 10% v/v d’éthanol dilué dans le milieu fermenté.

Séparation de l’alcool par distillation

La distillation a pour but de séparer l’éthanol du milieu fermentaire aqueux. Le vin peut contenir aussi les levures, si celles-ci ne sont pas extraites auparavant.

Au cours de la distillation, le vin est chauffé dans une colonne de distillation et l’alcool brut à 93% v/v est extrait. Il contient l’éthanol et de l’eau en raison de l’existence d’un azéotrope éthanol-eau ainsi qu’une petite fraction d’impuretés volatiles. L’alcool brut peut être déshydraté par tamis moléculaire, afin d’obtenir de l’alcool pur, qui entre dans la composition des carburants dits verts sous l’appellation « bioéthanol ». L’alcool brut peut également être rectifié par distillation dans d’autres colonnes afin d’obtenir de l’alcool surfin, d’une teneur en éthanol supérieure à 96% v/v. A l’issue de la distillation, on récupère la fraction aqueuse, appelée « vinasse légère ». Elle contient toutes les impuretés contenues dans les vins, qui n’ont pas été entraînées au cours de la distillation, soit 10% de matière sèche et 90% d’eau.

Valorisation des sous-produits

La vinasse légère peut être valorisée après concentration pour l’alimentation animale ou, selon sa teneur en sulfate de potassium, comme fertilisant. Du fait de son importante teneur en eau, il faut diminuer son volume aqueux et augmenter sa concentration jusqu’à 60 à 70% de matière sèche. La concentration des vinasses se fait par évaporation du solvant, c’est-à-dire l’eau. Les vinasses légères sont introduites dans la cuve autrement appelée « effet » ou « corps », à une pression donnée; de l’énergie est apportée afin de les chauffer et d’évaporer l’eau. On récupère en sortie des vapeurs qui peuvent être condensées et des vinasses concentrées. Les vapeurs condensées, ou condensats, sont majoritairement composés d’eau mais également de molécules organiques volatiles, évaporées simultanément avec l’eau (points d’ébullition proches). La qualité des condensats d’évaporation varie suivant la distillerie considérée, ses installations, ses matières premières. Dans le cadre de la thèse, la valorisation ultime des condensats est le recyclage en fermentation sans incidence sur le bon fonctionnement de cette étape. C’est pourquoi il est primordial d’étudier la fermentation alcoolique.

Physiologie de la levure Saccharomyces cerevisiae

Les levures sont définies comme des champignons unicellulaires, se reproduisant par bourgeonnement. La levure est un microorganisme eucaryote: espèce à noyau différencié avec membrane et chromosomes . La paroi cellulaire (constituée de polysaccharides) protège la cellule contre les agressions du milieu extérieur. La membrane cytoplasmique, composée d’une double couche de phospholipides, joue un rôle important dans les échanges entre la cellule et le milieu extérieur, grâce à de nombreux complexes protéiques, comme par exemple l’enzyme perméase qui permet le transport de substances du milieu extérieur vers le milieu intracellulaire et/ou inversement. Le cytoplasme contient en suspension les éléments assurant la transformation des aliments, par exemple les mitochondries, centres de respiration de la cellule et de production d’ATP. Enfin, le noyau contient l’information génétique (ADN du génome chromosomique) de la levure. Les cellules sont généralement ovales, d’une taille de 5 à 30 !m.

Effet glucose

Le processus fermentaire peut fonctionner en présence ou en absence partielle ou totale d’oxygène c’est-à-dire en anaérobiose. Malgré la présence d’oxygène, la levure va de préférence utiliser la voie fermentaire à la voie respiratoire (répression des enzymes respiratoires) pour utiliser le glucose s’il se trouve en forte concentration.

Besoins nutritifs

Les besoins de la levure sont différents selon que l’on veut produire des métabolites ou multiplier la biomasse. Il faut une source abondante de carbone (représentant 50% de la composition de la cellule). Les sucres sont la source d’énergie principale des levures. Les monosaccharides, sucres simples en C5 (xylose) ou C6 (glucose, fructose, galactose), sont utilisés préférentiellement par Saccharomyces cerevisiae. Pour être assimilés, les disaccharides (ex : saccharose) sont transformés par une enzyme (ex: invertase) en sucres simples. Cette transformation se produit dans l’espace péri-plasmique, entre la paroi cellulaire et la membrane cytoplasmique. La levure a également des besoins modérés en azote, pouvant provenir des acides aminés des protéines, ou d’azote minéral (ammoniaque et ses sels). La levure a également besoin de minéraux (phosphore, souffre, potassium, magnésium, calcium, zinc) ainsi que des vitamines qu’elle ne peut synthétiser.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1. INTRODUCTION : DE LA BETTERAVE SUCRIERE AUX BIOCARBURANTS
1.1.1. SUCRERIE DE BETTERAVE
1.1.2. DE LA SUCRERIE A LA BIODISTILLERIE
1.2. LA FERMENTATION ALCOOLIQUE
1.2.1. PHYSIOLOGIE DE LA LEVURE SACCHAROMYCES CEREVISIAE
1.2.2. METABOLISME
1.2.3. FERMENTATION INDUSTRIELLE – CAS DES DISTILLERIES
1.3. L’INHIBITION DE LA FERMENTATION ALCOOLIQUE
1.3.1. CROISSANCE DES LEVURES
1.3.2. NATURES ET FORMATION DES MOLECULES INHIBITRICES
1.3.3. MECANISMES D’INHIBITION
1.3.4. IDENTIFICATION DES COMPOSES INHIBITEURS DES CONDENSATS
1.4. LA DETOXIFICATION
1.4.1. LE CAS DES HYDROLYSATS CELLULOSIQUES
1.4.2. DETOXIFICATION DES HYDROLYSATS PAR ADSORPTION OU ECHANGE D’IONS
1.4.3. ESSAIS DE DETOXIFICATION DES CONDENSATS
1.4.4. PROCEDES RETENUS POUR LA DETOXIFICATION DES CONDENSATS
1.5. OSMOSE INVERSE
1.5.1. PRINCIPE
1.5.2. MEMBRANES D’OSMOSE INVERSE
1.5.3. CARACTERISTIQUES DE L’OSMOSE INVERSE
1.5.4. FACTEURS INFLUENÇANT L’EFFICACITE DE L’OSMOSE INVERSE
1.5.5. MISE EN ŒUVRE DE L’OSMOSE INVERSE
1.6. PROCEDES DE TRAITEMENT PAR RESINES
1.6.1. PRINCIPE
1.6.2. STRUCTURE DES SUPPORTS ET CARACTERISTIQUES
1.6.3. INTERACTIONS SOLUTES-RESINES
1.6.4. TRANSFERT DE MATIERE – CINETIQUE
1.6.5. DIMENSIONNEMENT DES OPERATIONS CHROMATOGRAPHIQUES
1.7. CONCLUSIONS DU CHAPITRE 1 : PROBLEMATIQUE ET OBJECTIFS
CHAPITRE 2. MATERIEL ET METHODES
2.1. CARACTERISATION DES CONDENSATS
2.1.1. QUANTIFICATION DES COMPOSES INHIBITEURS
2.1.2. CONDENSATS UTILISES
2.2. ESSAIS D’OSMOSE INVERSE
2.2.1. DISPOSITIF EXPERIMENTAL
2.2.2. MEMBRANES UTILISEES
2.2.3. CONDUITE DES ESSAIS
2.2.4. EXPLOITATION DES RESULTATS / PERFORMANCES DU TRAITEMENT
2.3. ESSAIS D’ECHANGE D’IONS ET ADSORPTION
2.3.1. RESINES ECHANGEUSES D’IONS
2.3.2. RESINES ADSORBANTES
2.3.3. EXPERIENCES DE TRAITEMENT EN COLONNE
2.4. CONCLUSIONS DU CHAPITRE 2
CHAPITRE 3. ETUDE ET DEFINITION DU PROCEDE D’OSMOSE INVERSE
3.1. INFLUENCE DES CONDITIONS OPERATOIRES
3.1.1. INFLUENCE DE LA PRESSION TRANSMEMBRANAIRE
3.1.2. INFLUENCE DE LA MEMBRANE
3.1.3. INFLUENCE DU PH DES CONDENSATS
3.1.4. LIMITES DU FACTEUR DE REDUCTION VOLUMIQUE
3.1.5. DISCUSSION SUR LES PARAMETRES OPERATOIRES A APPLIQUER
3.1.6. ESSAIS DANS LES CONDITIONS OPERATOIRES OPTIMISEES
3.2. SIMULATION DE L’EFFICACITE DU PROCEDE SELON LES CONDITIONS OPERATOIRES
3.2.1. EFFICACITE DU TRAITEMENT ET TAUX DE CONVERSION
3.2.2. MODE DE CALCUL
3.2.3. RESULTATS DE SIMULATION
3.2.4. APPORT DE LA SIMULATION : AIDE AU DIMENSIONNEMENT DE L’OPERATION D’OI
3.3. CONCLUSIONS DU CHAPITRE 3 : MISE EN ŒUVRE DU TRAITEMENT DES CONDENSATS PAR
OSMOSE INVERSE
CHAPITRE 4. ETUDE DU PROCEDE DE TRAITEMENT PAR RESINES
4.1. ÉCHANGE D’IONS
4.1.1. ISOTHERMES D’EQUILIBRE D’ECHANGE D’IONS
4.1.2. OPTIMISATION DU DEBIT D’ALIMENTATION
4.1.3. STABILISATION DE LA CAPACITE DE LA RESINE
4.1.4. MISE EN ŒUVRE DU TRAITEMENT DES CONDENSATS PAR D’ECHANGE D’IONS
4.1.5. OPTIMISATION DE LA REGENERATION
4.2. ADSORPTION
4.2.1. DESCRIPTION DES ESSAIS
4.2.2. ANALYSE DES COURBES DE PERCEE
4.2.3. MISE EN ŒUVRE DU TRAITEMENT DES CONDENSATS PAR ADSORPTION
4.3. CONCLUSIONS DU CHAPITRE 4
CHAPITRE 5. ETUDE ET DEFINITION DES PROCEDES COMBINES
5.1. ECHANGE D’IONS COMBINE A L’ADSORPTION
5.1.1. ALTERNATIVES DE COUPLAGE
5.1.2. MODE OPERATOIRE
5.1.3. RESULTATS OBTENUS
5.1.4. MISE EN ŒUVRE DU TRAITEMENT DES CONDENSATS PAR PROCEDE COMBINE EI ET ADS
5.2. OSMOSE INVERSE COMBINEE A L’ECHANGE D’IONS
5.2.1. ALTERNATIVES DE COUPLAGE
5.2.2. MODE OPERATOIRE
5.2.3. RESULTATS OBTENUS
5.2.4. MISE EN ŒUVRE DU TRAITEMENT DES CONDENSATS PAR PROCEDE COMBINE OI ET EI
CHAPITRE 6. IMPACT DES DIFFERENTS PROCEDES DE TRAITEMENT SUR LA FERMENTESCIBILITE DES CONDENSATS
6.1. TESTS DE FERMENTATION DISCONTINUE
6.1.1. METHODES PRECEDEMMENT UTILISEES
6.1.2. NOUVEAU TEST BASE SUR LE SUIVI DE LA CROISSANCE DES LEVURES
6.2. PHYSIOLOGIE DES LEVURES EN FERMENTATION CONTINUE
6.2.1. PRINCIPE DU CHEMOSTAT
6.2.2. CONDENSATS TESTES
6.2.3. DISPOSITIF EXPERIMENTAL
6.2.4. SUIVI ANALYTIQUE
6.2.5. RESULTATS
6.3. CONCLUSIONS DU CHAPITRE 6
CHAPITRE 7. INTEGRATION INDUSTRIELLE
7.1. PROPOSITIONS DE FILIERES DE TRAITEMENTS
7.1.1. DISPOSITIONS PREALABLES
7.1.2. DIFFERENTS CAS DE FIGURES
7.2. UNITE D’OSMOSE INVERSE
7.2.1. PARAMETRES OPERATOIRES
7.2.2. DEMARCHE DE DIMENSIONNEMENT
7.2.3. PERFORMANCES DU PROCEDE D’OSMOSE INVERSE
7.2.4. GESTION DES EFFLUENTS D’OI
7.3. UNITE D’ECHANGE D’IONS
7.3.1. PARAMETRES OPERATOIRES
7.3.2. DEMARCHE DE DIMENSIONNEMENT
7.3.3. PERFORMANCES DU PROCEDE
7.3.4. GESTION DES EFFLUENTS
7.4. BILAN DES DIFFERENTES FILIERES PROPOSEES
7.5. CONCLUSIONS DU CHAPITRE 7
CONCLUSION GENERALE

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