Production d`éthanol à partir du manioc par fermentation

Production d'éthanol
à partir du manioc par fermentation
Seydou GUINDO, DEA chimie appliquée
1. Introduction
Le progrès
et le mieux-vivre d'une société de même que la qualité de l'environnement sont
fortement tributaires de l'énergie. Mais, développer des modèles énergétiques durables constitue,
de nos jours, l'un des grands défis pour l'humanité.
L,éthanol, issu de la biomasse (bioéthanol), qui est renouvelable, peut remplacer les carburants
fossiles. Le manioc, une culture peu exigeante et à haut rendement, reste l'une des biomasses de
grand intérêt pour cette production.
(mot
Le manioc (Monihot esculento\ est de la famille des Euphorbiacées, du genre Manihot
brésilien Mandihocat : la manne d'en haut). ll donne des tubercules au bout de 6 mois à plus de 36
mois, selon les variétés. On distingue les maniocs doux, contenant moins de O,012% d'acide
et les maniocs amers, Le manioc (Manihot esculentol est de la famille des
du genre Manihot (mot brésilien Mandihocat : la manne d'en haut)' ll donne des
cyanhydrique (HCN)
Euphorbiacées,
tubercules au bout de 6 mois à plus de 36 mois, selon les variétés
On distingue les maniocs doux, exemple: (M. camanioco) contenant moins de 0,012% d'acide
cyanhydrique (HCN) et les maniocs amers, exemple (M. bouquet) contenant plus de
cya
O,Ot4o/o
d'acide
nhydrique.
généralisés
Les procédés de conversion du manioc en bioéthanol carburant ne sont pas à présent
et font l'objet de recherches. Actuellement, le grand intérêt du manioc réside dans l'alimentation
humaine et animale.
La fermentation
du manioc en bioéthanol peut contribuer à l'autosuffisance énergétique,
à
l'amélioration de la balance des paiements, à la préservation de l'environnement, à la création de
milliers d'emplois, à l'accroissement du revenu du monde rural'
Le Mali dispose de conditions climatiques, hydriques
et de terres favorables à la culture
manioc. Le manioc est riche en amidon convertible en sucres fermentescibles.
du
\
fossile: taux de compression de
Le bioéthanol présente bien d'avantages sur l'essence d'origine
plomb, réduction des émissions de gaz toxiques
18% supérieur, kilométrage plus grand, absence de
des essences, un mauvais pouvoir
Les inconvénients sont: un pouvoir corrosif supérieur à celui
lu b rif ia
nt.
Processus de fermentation du manioc
jusqu'à l'obtention du
Tout le processus de production, depuis le traitement des racines
bioéthanol est résumé par la figure
1.
Plantes
"sucrées"
Betteraves, canne à sucre
Extraction du sucre
Hydrolyse de l'amidon
Fermentation des sucres
Bioéthanol carburant
Fig. 7 Production du bioéthanol corburant à partir du mdnioc
L),
-:,,/
2. Objectifs
2.1. Objectif qénéral
Produire de l'éthanol par la fermentation de l'amidon de manioc
2.2. Objectifs spécifiques
-
extraire de l'amidon de manioc dans des conditions simples;
réaliser les saccharifications (hydrolyse) enzymatique et acide de l'amidon
;
comparer différentes conditions de fermentation en utilisant une levure locale.
3. Matériels et méthodes
3.7. Extrddion de I'amidon
Une masse de 29,6 kg de tubercules de manioc, variété douce, appelée « Six mois » en Côte
d'lvoire, a été râpée à la main en trois opérations après épluchage. Une boîte de conserve de tomate
percée de trous à l'aide d'une pointe en acier a servi de râpeuse (Fig' 2)
r
Râpeuse
îte de
conserve
de tomate
++
++
++
++
++
++
++
++
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+ + ++
++++
+ + ++
++++
++++
++++
++++
+ + ++
+
+
+
+
+
+
+
+
Fig.2. Râpeuse
3. 2. Catalyseurs de soccharificotion
La saccharification
de l'amidon assure sa conversion en sucres fermentescibles. Cette réaction
d'hydrolyse a été catalysée soit par des enzymes, soit par une solution d'acide sulfurique.
Les enzymes utilisées (amylases) proviennent du malt de sorgho que nous avons
fait germer nous
mêmes, du malt d'orge qui nous a été gracieusement offert par la Société des Brasseries du Mali
(Bramali) et de la ptyaline de la salive.
3.3.
Source de levure
La levure sauvage utilisée est du genre Socchoromyces. Elle assure la fermentation « haute » et
nous a été gracieusement offerte par une brasseuse de bière de sorgho à Baguinéda.
3. 4. Conditions expérimenta les
Toutes les expériences ont été menées dans le Laboratoire Biomasse, sis à l'Ecole Normale
Supérieure (ENSup). Les conditions difficiles de travail dues au manque de certains matériels
adéquats ne nous ont pas permis de maîtriser certains facteurs expérimentaux comme
:
la
température de germination, les conditions d'extraction de l'amidon et des enzymes, la température
de brassage et de fermentation, l'activation de la fermentation (CaClz), le contrôle du taux de sucre
avant et pendant la fermentation, la sélection de la souche de levure.
Le pH du moût à fermenter est acide
et l'agitation pendant la fermentation reste modérée (510
rpm).
3,
5. Conversion de l'smidon en sucres fermentescibles
t1
Les hydrolyse enzymatique
et de (chimique) de l'amidon en sucres fermentescibles ont été
effectuées selon des procédures semblables
à l'exception des températures choisies et
des
catalyseurs utilisés.
Dans les deux cas d'hydrolyse, nous nous Sommes servis du montage de la figure 3.
Gaz<-
Thermomètre
Erlenmeyer
Empois + enzyme
Barreau aimanté
Agitateur magnétique
chauffant
Fig. 3. Montage d'hydrolyse
Dans le cas de l'hydrolyse acide, nous avons ajouté une solution d'acide sulfurique normale
à
l'empois dans une proportion de 20% V/V, le tout chauffé pendant trois heures au bain-marie
bouillant sous agitation de 866 rpm.
Comme les enzymes sont dénaturées aux hautes températures, nous avons procédé par un
chauffage modéré à 65'C, un thermomètre permettant de contrôler la température et l'agitation
restant toujours à 866 rpm.
Des tests à l'eau iodée
ont permis le suivi de la saccharification.
3.6. Fermentation
L'alcool est obtenu soit par fermentation aérobie (Fig. a.) soit par fermentation anaérobie dans
un erlenmeyer de 2 litres à température ambiante avec une agitation modérée à 510 rpm.
montage de la fermentation anaérobie est privé du système d'aération.
Le
F
Tube manométrique
,r-
Eau
Robinet
Erlenmeyer
Compresseur
Moût en fernentat'an
Air
------------->
Bourre de
coton (filtre)
Barreau aimanté
stérilisé
Agitateur magnétique
Fig.4. Montdge
La
de
îermentation aérobie
fermentation prend théoriquement fin quand les95% des sucres sont fermentés en éthanol.
y a alors cessation du dégagement de gaz carbonique. La fermentation peut prendre un à six jours.
Nous avons distillé le moût, sans passer par sa filtration, à l'aide d'un montage de distillation
simple.
6,
4. Résultats et discussion
V
4,7. Extroction de I'amidon de manioc, variété douce
L'extraction de l'amidon de la variété douce de manioc a été entièrement réalisée à la main, ce
qui fait que nous sommes loin des taux optimaux d'amidon qui sont de l'ordre de 20 à 25% (Tableau
1)
Tableau 1. Quantités d'amidon obtenues par extraction manuelle du manioc, variété douce
Opération
pâte
de manioc
Date
Quantité de
Quantité
d'amidon sec*
Taux d'amidon
sec**
(ke)
(ke)
l%l
23-11-06
9,5
0,96
L0,1 1
a2-n-06
5,4
0,60
L'.t,LI
15-12-06
5,4
o,62
L1,,48
* amidon séché à l'air, ** taux par rapport à la masse de la pâte
4.2. Etude comporative des dilférents essots de sacchorificotion
Trois catalyseurs enzymatiques (la salive, le malt de sorgho, le malt d'orge) et un catalyseur
chimique (l'acide sulfurique) furent utilisés pour réaliser la saccharification (hydrolyse) de l'amidon
de manioc, variété douce ou amère.
Les durées de saccharification pour la salive, l'acide sulfurique, le malt de sorgho
d'orge ont été respectivement de
t
heure, 3 heures, 4 heures,
t
et le malt
heure. Le suivi à l'eau iodée a permis
de les déterminer. La saccharification aurait pu être optimisée si nous avions la possibilité:
-
d'assurer le maltage du sorgho en maintenant une température ambiante constante
et une aération adéquate
-
;
de mesurer régulièrement le taux de sucre dans le moût
;
de réaliser la saccharification à une température constante.
a
4.3. Etude comparative des différents essors de fermentotion
Nous avions le choix entre la levure de culture (genre Sacchoromyces) vendue en sachets et
la
levure sauvage du même genre largement utilisée en milieu rural pour la fabrication de la bière de
sorgho. Les expériences ont été menées avec la levure sauvage pour bénéficier de deux avantages:
sa popularité et sa grande vivacité, c'est-à-dire son aptitude à la production immédiate
de
bioéthanol.
lmmédiatement après ensemencement de l'empois d'amidon par la levure, la respiration
précède la fermentation.
Le
tube manométrique monté sur l'erlenmeyer a permis de tracer la courbe
de la figure 5.
Temps (mn)
Fig 5. Voriotion de
lo pression dans
On remarque les phases ci-après
-
le
fermenteur
en
fonction du temps
:
ab : phase de respiration. L'oxygène est absorbé. Cette phase dure 15 minutes.
bc : phase de fermentation. Le gaz carbonique dégagé élève la pression dans l'erlenmeyer
tandis que le bioéthanol est produit. La fermentation peut durer jusqu'à sept jours.
La
fermentation peut être améliorée
:
-
V
en la réalisant à une température constante
;
en sélectionnant la souche de levure la plus performante.
4.4. Comporoison entre les fermentations aérobie et anaérobie
ll ressort que la fermentation alcoolique anaérobie est plus favorable que celle en aérobiose
(Tableau 2) quand on compare les teneurs en alcool des essais 2 el 3 (0.720 vs 0.180) et des essais 6
et 7 (1.400 vs 1.020).
La
quantité de levure produite est supérieure en fermentation aérobie.
La variété douce, dans tous les cas, produit plus d'éthanol que la variété
amère.
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3r,
o
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J
*
a-
4.5. Comparaison entre
les
fermentations alcooliques de l'amidon des variétés omère et douce
En hydrolyse enzymatique avec l'amylase de sorgho
et
dans les mêmes conditions de
fermentation; l'expérience 4 de la variété amère de manioc (Tableau 2) a donné un moût dont
la
teneur en alcool est de 0,59o pendant que l'expérience 8 de la variété douce de manioc a donné un
moût dont la teneur en alcool est de 1,91" ; soit 3,25 fois plus'
En hydrolyse enzymatique avec l'amylase d'orge et dans les mêmes conditions de fermentation
;
l'expérience 5 de la variété amère de manioc a donné un moût dont la teneur en alcool est de 0,31o
alors que l'expérience 9 de la variété douce de manioc a donné un moût dont la teneur en alcool est
de 3,90o; soit 12,60 fois supérieur.
En hydrolyse acide et dans les mêmes conditions de fermentation ; l'expérience 2 de la variété
amère de manioc a donné un moût dont la teneur en alcool est de 0,72o pendant que l'expérience 6
de la variété douce de manioc a donné un moût dont la teneuren alcool est de 1,40o; soit 1,90 fois
plus.
En hydrolyse acide et dans les mêmes conditions de fermentation
; l'expérience 3 de la variété
amère de manioc a donné un moût dont la teneur en alcool est de 0,18' pendant que l'expérience
7
de la variété douce de manioc a donné un moût dont la teneur en alcool est de 1,07" ; soit 5,90 fois
su périeu r.
Les
différents résultats du Tableau 2 mettent en évidence la supériorité de l'amidon de la variété
douce de manioc à celui de la variété amère quant à la fermentation alcoolique, quelque soit les
conditions expérimentales (hydrolyse acide ou enzymatique, fermentation anaérobie ou aérobie).
La présence d'un peu de sucres simples
et l'absence de principes amères, dans la variété douce
de manioc, pourraient expliquer ce bon comportement'
4.
5.
Co
ncl u sion po rti elle
-
Compte tenue de leurs températures de réalisation comprise entre 30
et
65"C,
l'hydrolyse enzymatique consomme moins d'énergie que l'hydrolyse acide. Elle est
donc plus simple à mener.
-
La fermentation alcoolique anaérobie produit plus d'éthanol que la fermentation
alcoolique aérobie et elle produit moins de cellules'
-
L'amidon de la variété douce de manioc produit plus d'éthanol que l'amidon de
variété amère de manioc.
Trans-estérification de I'huile de Pourghère (Jatropha Curcas Linn.) par l'éthanol (FAST-2008)
la
t?,
-
Pour une même quantité en poids et dans les meilleures conditions de traitement, le
malt d'orge produit plus d'amylase que le malt de sorgho. Les quantités en poids
(80g d'orge contre 1009 de sorgho) et les solutions de malt (150 mL d'orge contre
{
180 mL de sorgho) utilisées, en plus de la durée de saccharification (L heure pour
l'orge contre 4 heures pour le sorgho) le confirment en expériences 8 et 9.
-
La salive, bien que peu hygiénique
et non pratique constitue une bonne
source
d'enzyme pour obtenir essentiellement le maltose qui est fermentescible.
Les résultats de l'expérience
9 (avec un taux en alcool du moût de 3,90
ÿo
el un taux
de
saccharification de 7,87 %l sont très intéressants et ce mode de production du bioéthanol à partir du
manioc mérite une étude plus poussée.
Quelque soit la qualité de la fermentation, il reste un minimum de sucres non fermentés dans le
moût. Cette concentration à la fin de la fermentation est appelée atténuation limite.
5. Conclusion et perspectives
Le pétrole est devenu un élément économique majeur, une raison de conflits armés, un facteur
d'influence géostratégique et de dictats politiques pour ceux qui veulent le posséder.
Sans constituer la solution à toutes les préoccupations énergétiques, les biocarburants tirés de la
biomasse, en particulier le bioéthanol, se présentent comme une alternative valable et viable au
pétrole. Le bioéthanol est déjà consommé au Brésil massivement, en Afrique du Sud, au Nigeria, au
Zimbabwe en Allemagne, aux USA, en Êspagne, et en Suède.
Le bioéthanol obtenu à partir du manioc offre des avantages que nous devons absolument
capitaliser. La culture du manioc pour produire du bioéthanol n'entre point en compétition avec
sa
fonction alimentaire, seul l'amidon est utilisé. Au contraire, la pulpe obtenue, après extraction de
l'amidon, sert à la préparation de l'attiéké. Ainsi la production du bioéthanol à partir du manioc
accroît non seulement l'indépendance énergétique du pays et limite sa facture pétrolière, mais aussi
contribue énormément à sa sécurité alimentaire. La production de ce carburant vert peut générer
en
outre plusieurs milliers d'emplois et surtout conforter le revenu des paysans.
Techniquement, l'obtention du bioéthanol à partir d'une unité de-traitement du manioc
semble
plus onéreuse que sa production à partir de la canne à sucre; principalement à
cause de la section
d'hydrolyse qui n'est pas nécessaire dans le cas de la canne. Mais l'unité une fois installée
est
estimée plus avantageuse à cause de la facilité à produire le manioc (sols riches ou pauvre, peu
de
fertilisant, faible besoin en eau). Les différentes expériences que nous avons réalisées dans
cette
Trans-esiérification de I'huile de pourghère (Jatropha curcas Linn.\ par l,éthanol (FAST_200s)
t.
tJt
étude démontrent à suffisance que le bioéthanol peut être obtenu à partir du manioc. Les résultats
obtenus avec
le malt de sorgho et surtout avec le malt d'orge encouragent à poursuivre
les
recherches afin d'améliorer la technique de production du bioéthanol. Les facteurs dont il faut tenir
compte ou qu'il faut améliorer restent
-
:
le choix de l'amidon de la variété douce de manioc de préférence
la
;
fermentation en anaérobiose;
l'optimisation de la production du malt de sorgho à cause de la grande disponibilité
du sorgho au Mali.
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