SPT-TD-Transformation-Production bioéthanol

Bloc Sciences de la production et de la transformation
UC Transformations des matières agricoles
TD2 céréales
Production de bioéthanol par fermentation
Comparaison des performances des levures
Saccharomyces cerevisiae et Pichia stipitis
Catherine Béal, Marielle Bouix,
Sophie Landaud, Claire Saulou
Département Sciences et Procédés Alimentaires et Biologiques
2015
Ethanol industriel
Données technico-économiques
Production d’éthanol dans le monde: 880 millions d’HLAP
Production d ’éthanol en France : 9 millions d’HLAP
2000
1500
1000
500
0
Ethanol mondial (Millions d'HL)
1620
880
557
2005
2010
2015
⇒ Croissance +++++
⇒ En France : 20 usines concernées, 20 000 à 30 000 emplois
HLAP : hectolitres d’alcool pur
2
Les différentes qualités d’éthanol industriel

flegmes : alcool brut

rectifié extra-neutre (alcool neutre) (REN)

rectifié surfin

flegmes haut degré, déshydraté moteur

déshydraté surfin
Prix : - pas de marché mondial de l’éthanol
- prix de l’éthanol REN : 0,3 à 0,4 €/L
- dépend du marché mondial des matières agricoles :
sucre et blé
3
Les matières premières pour la fermentation
1 MATIERES SUCREES
Matières agricoles
et/ou industrielles
MODE DE TRAVAIL
RACINES
BETTERAVE
Rapage -Diffusion- Fermentation
Distillation
TIGES
CANNE A SUCRE
SORGHO
MAIS VERT
Broyage
Fermentation
Distillation
SIROPS
EGOUTS
MELASSE
Dilution
Fermentation
Distillation
PRODUITS DE
SUCRERIE
2 MATIERES AMYLACEES
TUBERCULES
RACINES
GRAINES
POMMES DE TERRE
TOPINAMBOUR
(INULINE)
BLE
Cuisson
Hydrolyse de l’amidon :
aux acides
au malt
MAIS
RIZ
ORGE
RESIDUS AMYLACES
au mucor
aux enzymes
Fermentation
Distillation
TD3
céréales
TD2
céréales
4
Un nouveau défi !
« le paquet énergie de l’Union Européenne pour 2020 »
(sommet des 8 et 9 mars 2007)
2020
Réduction de 20 % des émissions de gaz à effet
de serre
Augmentation de 20 % de l’efficacité énergétique
Consommation de 20 % d’énergies renouvelables
dont 10 % d’incorporation de biocarburants
(40 Mtep / an dont 0,8 Biocarburants en 2006)
5
Les biocarburants de 2ème génération ?
•
•
•
Horizon industriel :
2015 – 2020 ?
Premières réalisations pilotes : 2007 – 2009
Enjeux :
- utilisation de l’ensemble des matières premières
cellulosiques disponibles
- amélioration des rendements
- optimisation industrielle et logistique
voie enzymatique
éthanol
(hydrolyse + fermentation)
Ressources
ligno-cellulosiques
TD3
céréales
voie thermochimique
hydrocarbures divers
(gazéification + synthèse)
(dont diesel « vert »)
6
Schéma général de production de bio-éthanol
Distillation
Fermentation
MPS
vin
MPSC
(100%)
Ethanol
(10%)
Vin
délevuré
levure
Evapoconcentration
Vinasse
(90%)
Eau
Air
Eau + NS
NS
MPS : Matières Premières Sucrées
MPSC : Matières Premières Sucrées Concentrées
7
La fermentation : étape clé pour la production de bioéthanol
2 modalités selon les substrats transformés :
 Bioéthanol de 1ère génération : transformation des matières
premières sucrées et amylacées (hexoses)
Microorganismes : Saccharomyces cerevisiae
Voie métabolique : 1 Glucose
2 Ethanol + 2 CO2
Fermentation pour l’élaboration des boissons alcoolisées
 Bioéthanol de 2ème génération : transformation des matières
premières cellulosiques (pentoses)
Microorganismes : Pichia stipitis
Voie métabolique : 3 Xylose
5 Ethanol + 5 CO2
8
Comparaison des performances des levures
Saccharomyces cerevisiae et Pichia stipitis
– Saccharomyces cerevisiae
Très bonne capacité de conversion des sucres en éthanol (rendement
réel YE/S= 0,49 g/g).
Mais n’utilise que des hexoses
Production de bioéthanol de 1ère génération
– Pichia stipitis
Premières souches isolées des intestins de termites
Assimilation de certains pentoses comme le xylose
Bon candidat pour la production de bioéthanol de 2ème génération.
 Mise en œuvre en fermentation discontinue, jusqu’à épuisement
total des sucres.
 Conditions environnementales régulées et optimales pour la
croissance
 Autres nutriments (N, P, S, vitamines) en excès dans le milieu
 En revanche, la fermentation de chaque levure est effectuée sur
un substrat carboné différent.
9
Culture de Saccharomyces cerevisiae
•
Une souche de S. cerevisiae est cultivée sur un milieu issu de
l’hydrolyse d’amidon, contenant 160 g/L de glucose. Des prélèvements
et analyses ont donné les résultats résumés au tableau 1.
Tableau 1 – Données relatives à Saccharomyces cerevisiae
Temps (h)
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
39
42
45
48
51
54
S g/L
160
159,2
158,3
157,9
157,9
156
151,1
136,7
108
76
49,2
29,7
18,7
10
6,8
3,4
1,7
0
0
X g/L
0,01
0,01
0,01
0,02
0,03
0,05
0,15
0,47
1,41
3,30
5,60
7,38
7,90
8,00
8,02
8,00
8,00
8,00
8,00
1 Glucose
1 C6H12O6
2 Ethanol + 2 CO2
2 C2H5OH + 2 CO2
+ 2 ATP / mole de glucose
Temps : durée de fermentation en heures
S : concentration en glucose (g/L)
X : concentration en biomasse (g/L)
charger les données présentes sur T:\Td-Beal\Td-1A
Fichier : SPT-transformation-TD2cereales.xls
10
Culture de Pichia stipitis
•
Une souche de P. stipitis est cultivée sur un milieu issu de l’hydrolyse
d’hémicelluloses, contenant 160 g/L de xylose. Des prélèvements et
analyses ont donné les résultats résumés au tableau 2.
Tableau 2 – Données relatives à Pichia stipitis
Temps (h)
0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
60
66
72
78
84
90
96
102
106
S g/L
160
155
150
140
125
107
95
80
70
56
45
35
26
20
12
8
4
2
0
X g/l
0,01
0,04
0,12
0,27
0,52
0,91
1,49
2,32
3,44
4,90
6,34
7,00
7,50
7,88
8,00
8,00
8,00
8,00
8,00
E g/L
0,0
1,0
2,0
3,0
4,5
6,0
7,5
11,0
20,0
30,0
40,0
50,0
55,0
58,0
60,5
61,5
63,0
64,0
64,0
µ (h-1)
0,299
0,205
0,156
0,126
0,106
0,091
0,080
0,071
0,064
0,057
0,042
0,038
0,035
0,032
0,030
0,028
0,026
0,023
0,000
3 Xylose
3 C5H10O5
5 Ethanol + 5 CO2
5 C2H5OH + 5 CO2
+ 5 ATP / 3 mole de xylose
Temps : durée de fermentation en heures
S : concentration en glucose (g/L)
X : concentration en biomasse (g/L)
E : concentration en éthanol (g/L)
µ : taux de croissance de la levure (h-1)
11
Production de bioéthanol de 1ère génération
par S. cerevisiae (tableau 1)
1-1 Tracer les courbes d’évolution des sucres (S, g/L), de la biomasse (X, g/L),
et de l’éthanol (E, g/L) au cours du temps. Commenter ces courbes.
Fichier : SPT-transformation-TD3cereales.xls
Répertoire: T:\Td_Beal\Td_1A\
Rendement de conversion en éthanol YE/S (en g/g)
YE/S
E − E0
=
S0 − S
E = YE/S ⋅ (S0-S)
12
Production de bioéthanol de 1ère génération
par S. cerevisiae (tableau 1)
1-1 Tracer les courbes d’évolution des sucres (S, g/L), de la biomasse (X, g/L),
et de l’éthanol (E, g/L) au cours du temps. Commenter ces courbes.
1-2 Déterminer la valeur du taux de croissance maximum (µM, h-1) et le temps
de génération tg (h). Commenter ces résultats.
Taux de croissance µ (h-1)
1 dX
µ= ⋅
X dt
d ln X
µ=
dt
13
Production de bioéthanol de 1ère génération
par S. cerevisiae (tableau 1)
1-1 Tracer les courbes d’évolution des sucres (S, g/L), de la biomasse (X, g/L),
et de l’éthanol (E, g/L) au cours du temps. Commenter ces courbes.
1-2 Déterminer la valeur du taux de croissance maximum (µM, h-1) et le temps
de génération tg (h). Commenter ces résultats.
1-3 Calculer la productivité en éthanol si le cycle T de vidange/nettoyage entre
chaque fermentation est de 6 h.
1-4 Déterminer la production annuelle de bioéthanol en hL d’une usine ayant
une capacité de production de 10 000 m3, fonctionnant 300 jours dans l’année
en 3/8. On considérera que l’étape de distillation est efficace à 100%.
(densité de l’éthanol à 20°C = 0,79)
14
S. cerevisiae sur glucose
Détermination de la production annuelle
Concentration E (g/L)
 Productivité en éthanol (g/L/h ou kg/m3/h)
100
Em = 78,4 g/L
80
60
Em
PT =
tm + T
T= 6 h
40
20
tm = 54 h
0
0
20
40 60 80
Temps (h)
100 120
 Production annuelle (en kg ou tonnes)
15
Bilan sur la quantification d’une fermentation
Cinétiques de croissance :
Taux de croissance
1 dX
µ= ⋅
X dt
(h-1)
Vitesse de croissance
dX
= µ⋅ X
dt
(g/L.h)
Rendements de croissance et de conversion :
Rendement de croissance
YX/S
Rendement de conversion
YP/S
Productivité en éthanol :
X − X0
=
S0 − S
P − P0
=
S0 − S
Em
PT =
tm + T
(g/g)
(g/g)
(g/L.h)
16
Culture de Pichia stipitis
•
Une souche de P. stipitis est cultivée sur un milieu issu de l’hydrolyse
d’hémicelluloses, contenant 160 g/L de xylose. Des prélèvements et
analyses ont donné les résultats résumés au tableau 2.
Tableau 2 – Données relatives à Pichia stipitis
Temps (h)
0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
60
66
72
78
84
90
96
102
106
S g/L
160
155
150
140
125
107
95
80
70
56
45
35
26
20
12
8
4
2
0
X g/l
0,01
0,04
0,12
0,27
0,52
0,91
1,49
2,32
3,44
4,90
6,34
7,00
7,50
7,88
8,00
8,00
8,00
8,00
8,00
E g/L
0,0
1,0
2,0
3,0
4,5
6,0
7,5
11,0
20,0
30,0
40,0
50,0
55,0
58,0
60,5
61,5
63,0
64,0
64,0
µ (h-1)
0,299
0,205
0,156
0,126
0,106
0,091
0,080
0,071
0,064
0,057
0,042
0,038
0,035
0,032
0,030
0,028
0,026
0,023
0,000
3 Xylose
3 C5H10O5
5 Ethanol + 5 CO2
5 C2H5OH + 5 CO2
+ 5 ATP / 3 mole de xylose
Temps : durée de fermentation en heures
S : concentration en glucose (g/L)
X : concentration en biomasse (g/L)
E : concentration en éthanol (g/L)
µ : taux de croissance de la levure (h-1)
17
Production de bioéthanol de 2ème génération
par P. stipitis (tableau 2)
1-1 Tracer les courbes d’évolution des sucres (S, g/L), de la biomasse (X, g/L),
et de l’éthanol (E, g/L) au cours du temps. Commenter ces courbes.
1-2 Tracer l’évolution du taux de croissance µ (h-1) en fonction du temps.
Déterminer la valeur du taux de croissance maximum (µM, h-1). Commenter
ces résultats.
1-3 Calculer le rendement de conversion en éthanol de P. stipitis YE/S (g/g) et
le comparer à celui de S. cerevisiae.
1-4 Calculer la productivité en éthanol si le cycle T de vidange/nettoyage entre
chaque fermentation est de 6 h. Comparer cette valeur avec celle obtenue
avec S. cerevisiae.
1-5 Déterminer la production annuelle de bioéthanol en hL d’une usine ayant
une capacité de production de 10 000 m3, fonctionnant 300 jours dans l’année
en 3/8. On considérera que l’étape de distillation est efficace à 100%.
(densité de l’éthanol à 20°C = 0,79)
18
P. stipitis sur xylose
Détermination de la production annuelle
Concentration E (g/L)
 Productivité en éthanol (g/L/h ou kg/m3/h)
80
Em = 64 g/L
60
40
Em
PT =
tm + T
T= 6 h
20
tm = 106 h
0
0
40
80 120 160 200 240
Temps (h)
 Production annuelle (en kg ou tonnes)
19
Bilan : comparaison des deux souches
S. cerevisiae
P. stipitis
µm (h-1)
tg (h)
YE/S (g/g)
Prod (kg/m3.h)
PA (t/an)
20
Bilan : comparaison des deux souches
• S. cerevisiae : meilleure résistance à éthanol donc
process + rapide et productivité ++ (2 x supérieure à P.
stipitis)
• Mais biocarburant de 1ère génération (concurrence
surfaces alimentaires)
• Insertion des gènes d’assimilation du xylose dans S.
cerevisiae ; bon résultat sur xylose pur, pas encore sur
substrats complexes…
• Attention :
– hydrolyse des matières ligno-cellulosiques difficile et
produits inhibiteurs
– Utilisation des MGM ?
21