Soutenance mémoire
Madagascar est confronté à un déficit énergétique majeur et à de grand problème sur l’environnement. Pourtant, le pays génère une importante quantité annuelle de matières premières (cannes à sucre, fruits, déchets de fruits,…) productrices de bioéthanol, source d’énergie renouvelable. Les biocombustibles participent à la préservation de l’environnement par la compensation du gaz carbonique dégagé par la combustion des biocombustibles, comme le bioéthanol, avec le CO2 absorbé par les végétaux.
Le développement des sources d’énergie renouvelable est un thème de recherche privilégié au sein du Département Physique, Option Energétique. Et de plus, il constitue un enjeu environnemental majeur sur l’environnement : réduction de l’effet de serre. Le projet que nous présentons dans ce mémoire se place dans la production expérimentale de bioéthanol de 2nde génération à partir d’ananas, matière première riche en saccharose et glucose, directement fermentescibles sans étapes complexes de transformations préalables. Plusieurs expériences ont été déjà faites avec la canne à sucre ou des mélanges de déchets de fruits, alors nous essayons d’expérimenter avec l’ananas.
La fermentation alcoolique est un processus biologique de dégradation du sucre en milieu anaérobiose facultatif, qui s’accompagne d’une production, principalement d’alcool et de gaz carbonique. Elle un procédé instable. Ainsi, il faut bien maitriser le processus, approfondir la connaissance sur cette filière et être capable de suivre et contrôler les paramètres influents à la vitesse de dégradation de la matière organique et le taux de production du bioéthanol si on cherche à améliorer son rendement. Parmi ces paramètres, la température affecte considérablement le déroulement du procédé et la densité de mout définie la qualité d’alcool obtenu.
GÉNÉRALITÉS ET DÉFINITION
Définition
La fermentation alcoolique est une étape dans l’élaboration d’éthanol. Au cours de ce processus, les sucres sont, pour l’essentiel, convertis en éthanol et dioxyde de carbone. Mais de très nombreux autres produits sont aussi formés. La levure et le mode de conduite de la fermentation jouent des rôles très importants. En effet, les meilleures interactions entre la souche de levure, la disponibilité des éléments nutritifs dans le moût et le mode de contrôle de la fermentation résulte le bon fonctionnement de cette dernière.
Processus biologique de la fermentation alcoolique
La fermentation alcoolique comporte en général deux étapes catalysées par des enzymes : La première étape est la conversion des polysaccharides des produits naturels en monosaccharides (sucres simples) ; La seconde étape est la transformation des monosaccharides en éthanol. La fermentation est une réaction biochimique de conversion de l’énergie chimique contenue dans une source de carbone (glucose souvent) en une autre forme d’énergie directement utilisable par la cellule en anaérobie. C’est une réaction d’oxydoréduction où l’accepteur final d’électron est souvent le produit final. Elle se caractérise par une oxydation partielle du produit fermentescible, et donne lieu à une faible production d’énergie parce que la différence de potentiel redox, entre le donneur et l’accepteur d’électron, est petite.
Le glucose, l’adénosine diphosphate (ADP) et le phosphore produisent de l’éthanol, et du dioxyde de carbone avec dégagement de chaleur et un stockage d’énergie sous forme d’adénosine triphosphate (ATP). Des produits secondaires sont aussi formés : les plus importants sont le glycérol, l’acide succinique, l’acide acétique et l’alcool amylique. L’augmentation du pH indépendante de la nature du jus en cours de fermentation correspond à une diminution de l’activité de l’ion H+: il y a une consommation d’acide au cours du processus de fermentation.
Différents étapes de la fermentation
La glycolyse constitue la première étape de la fermentation alcoolique (la molécule des hexoses doit d’abord être activée par transformation en esters phosphoriques). En premier lieu apparait la phosphorylation qui est effectuée par deux enzymes dits transporteurs d’acide phosphorique et qui sont l’Adénosine Diphosphate (ADP) et l’Adénosine Triphosphate (ATP). Par la suite, on a la réaction des déshydrogénations à l’aide de la diastase appelée codehydrase de Von Euler ou Nicotinamide Adénine Dinucleotide (NAD) et l’on obtient l’acide diphospho-1, 3 glycerique. C’est cet acide diphospho-glycerique qui par hydrolyse, perd une molécule de phosphore et donne naissance à l’acide glycérique monophosphoryle. Et par la suite de réactions utilisant divers enzymes on arrive à l’acide pyruvique. Cet acide est un pivot du mécanisme de la fermentation. La décarboxylation de l’acide pyruvique se fait à l’aide de l’ester pyrophosphorique de la thiamine (cocarboxylase) appelée encore carboxylase de Newberg. On obtient l’acétaldéhyde avec un dégagement de gaz carbonique.
Réaction de la levure
La levure
Les Saccharomyces ceverisiae produisent une quantité plus importante d’alcool inférieur et d’acide gras. Sa croissance est rapide et abondante, l’occupation du milieu est bonne, le danger d’accident de fermentation en est réduit. La levure du genre Schizosaccharomyces, présente un rendement alcoolique plus élevé que celui de Saccharomyces ceverisiae, et produit relativement peu de composé secondaire (propanol, isopentanol, isobutanol…). Cependant, ce dernier produit de glycérol qui est un facteur favorable au développement des germes et peuvent provoquer des accidents lors de la fermentation.
La réaction de la levure
Le déroulement d’une fermentation alcoolique avec ensemencement par une souche commerciale et régulation de la température à une valeur constante, peut être divisé en trois phases :
Phase de latence
La phase de latence, qui a lieu en tout début de fermentation, correspond à la saturation progressive du milieu en gaz carbonique (environ 1,5 g/l de CO2 ). A la fin de cette phase, lorsque le gaz carbonique (CO2 ) commence à se dégager. Pendant cette phase, la composition du milieu est très peu modifiée, à l’exception notable de la consommation de la thiamine. La thiamine est épuisée en quelques heures. La durée de la phase de latence peut varier de quelques heures à plusieurs jours. Elle est surtout fonction de la température, du taux d’inoculation et de la présence d’inhibiteurs, principalement le dioxyde de soufre (SO2 ). Ce dernier peut causer des phases de latence très longues.
Phase de croissance
La phase de croissance dure jusqu’à l’obtention de la population maximale, soit généralement jusqu’à 20 à 30 % de la fermentation. C’est à la fin de cette phase qu’est atteinte la vitesse maximale de fermentation. Le dégagement de CO2 est maximal, ainsi que la régulation de la température de fermentation est très importante. Par contre, c’est dès le début de la phase de croissance qu’est atteint le maximum de la vitesse spécifique de fermentation qui rend compte de l’activité fermentaire moyenne de chaque levure, activité qui ne cesse par la suite de diminuer.
Phase stationnaire
C’est pendant la phase stationnaire que l’essentiel du sucre est fermenté. Pendant cette phase, les levures ne se multiplient plus et leur activité diminue régulièrement même si leur viabilité reste généralement supérieure à 80-90 %, excepté dans les cas d’arrêts de fermentation. Cette baisse d’activité correspond à une diminution régulière de la vitesse de transport des sucres. Plusieurs mécanismes d’inhibition sont impliqués, mettant en jeu les acides gras à moyenne chaîne, les toxines killer, etc., mais c’est l’éthanol qui joue le rôle essentiel.
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Table des matières
INTRODUCTION
PREMIÈRE PARTIE : ASPECTS THEORIQUES
Chapitre I : LA FERMENTATION ALCOOLIQUE
I-1GÉNÉRALITÉS ET DÉFINITION
I-1-1 Définition
I-1-2 Processus biologique de la fermentation alcoolique
I-2 DIFFÉRENTS ÉTAPES DE LA FERMENTATION
I-3 REACTION DE LEVURE
I-3-1 La levure
I-3-2 La réaction de la levure
I-3-2-1 Phase de latence
I-3-2-2 Phase de croissance
I-3-2-3 Phase stationnaire
I-4 Paramètres de fermentation
I-4-1 température et activité levurienne
I-4-2 L’oxygène
I-4-3 Les biomasses
I-4-4 La teneur en alcool
I-4-5 La densité
I-4-6 L’acidité totale d’un jus de fruits
I-4-7 La durée de la fermentation
II- Distillation et déshydratation du bioéthanol
II-1 Distillation du bioéthanol
II-1-1 Définition
II-1-2 Différents types de distillation
II-1-2-1 Distillation directe
II-1-2-2 Distillation azéotropique
II-1-3 Classement de distillation
II-1-3-1 La distillation continue
II-1-3-2 La distillation discontinue
II-2 Déshydratation de l’alcool 95°- 96
II-2-1 Par voie chimique : « Méthode de Berthelot
II-2-2 Par voie physique
II-2-2-1 Par distillation
II-2-2-2 Par extraction à contre-courant
II-3 Utilisation de bioéthanol
DEUXIEME PARTIE : EXPERIMENTATIONS
Chapitre I : ETUDE, CONCEPTION ET REALISATION DES MATERIELS
I-1 Les différents composants indispensables pour la réalisation
I-1-1 La résistance
I-1-2 La résistance variable
I-1-3 Le transistor
I-1-4 L’amplificateur opérationnel
I-1-5 La diode
I-1-6 La diode LED
I-1-7 Le TRIAC
I-1-8 Le TRIAC
I-1-9 Le capteur
I-2 Conception et réalisation des matériels
I-2-1 Le thermomètre ou régulation de température
I-2-1-1 Description du régulateur thermique
I-2-1-2 Les caractéristiques des éléments constitutifs et leur rôle respectif
a)Les résistances R1, R2, R3, R4 et R5
b) Les résistances variables RV1 et RV2
c) Le transistor
d) L’amplificateur opérationnel
e) Le multimètre
I-2-1-3 Déroulement de l’étalonnage du thermomètre
I-2-2 Le comparateur
I-2-2-1 Description du comparateur
I-2-2-2 Les caractéristiques des éléments constitutifs et leur rôle respectif
a)La résistance variable RV3
b) Le multimètre
c) La diode LED
I-2-2-3 Principe de fonctionnement du comparateur
I-2-3 Le circuit de puissance
I-2-3-1 Description du circuit de puissance
I-2-3-2 Les caractéristiques des éléments constitutifs et leur rôle respectif
a) Le TRIAC
b) La résistance
c) U3
d) Le système de chauffage 220 Volts
I-3-3-3 Principe de fonctionnement du circuit de puissance
Chapitre II : PRODUCTION EXPERIMENTALE DE BIOETHANOL
II-1 Les modes opératoires pour chaque étape du processus
II-1-1 Extraction du jus d’ananas
II-1-2 Fermentation
II-1-3 Distillation
II-1-4 Utilisation d’un alcoomètre
II-2 Résultats et interprétations
II-2-1 Expérience 1
II-2-1-1 Déroulement de chaque expérience
II-2-1-2 Extraction du jus
II-2-1-3 Fermentation de l’ananas
II-2-1-4 Distillation de l’éthanol
II-2-1-5 Résultat expérimental
II-2-2 Expérience2
II-2-2-1 Déroulement
II-2-2-2 Résultat expérimental
II-2-2-3 Interprétation
II-2-3 Discussion sur les résultats obtenus
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
