Production d`éthanol à partir du manioc par fermentation
Transcription
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. f 3r, o :E(lJ.oJ iE LL.T t! t^ = Y. o0= loo :tEo o(! (J fO O Nr\0O.1X.1 ,ti o(\ rl fr'') {O (J) iF{ r\ri ^l ,o § (\ oo' d ôl sl ,ri o (n o(\r f\ rt lôæ d È{ ôl F\ (n ô 0, c^ LJ !na-c)ooo § 'r') æ :i =q ôg a ol ()() <l slm <t <t l.- riO (n (n r-l (Y') N c o i!LLtrT .oJ = ILOJô bO= 4., f\ OO 9l =ô o(E OO Fl Ot rfl OO ri (f) O $o Fld U OJ f^ E: >-È c o^ ùF m= o0v Fl ln F{ rr.) el lt) rc, cn U1 Fl oc!oxC}():a (O <t f.. F,F,?i§55=R E (o()o {O S oo F.t Itt È{ rn ()o r{ lô. .. .....i..-. !-{ Lô F{ ()c) ?i Èl ,/i rn' 1n*.,.,* g o IE Ë o <f l,n JCL E o l! C :9 :o c o e{ u1 oooo(U .cr-o.v-o.o.o oo§ooô .c, È, "(l, (§(!.o,r(E(!«, Lgôç-Lg Oôt tÈl anl,l -o slAlôdl ôlooo rri tri .o .o U (l)oooJ ËÉ:Ë iË ,E ô& ËÈ iÈ;7,AE ËÉ Ee Ë3:"" EE À 5 o à ÿ, a! o I (u E (, .9 E Eô o o f5 .:cl{uoEESg .= .= o6ô'6'ô=? -:-:=-à-:ÈË È'oÈirbEE o(uaroorq(§ PPPPPgC <o <o lJUUU(J(E(! ro o oo o -§.... E (! <o <o bo ôo o uo o ^a_ E c (E (! t! EO c oo = 'qJ .0, (o (! IJ EEEEEg.t .ü.o.q,o.a== EEEEÊ66 9I €JO (J(,) f, oo êô co ot ô- À l.rt r(,) E .Ë (g .(, q q) (, c .9 .(u o- xo ql OJ o c(! E OJ (U E L OJ ?rq ,9 o E qJ (E E C o Ë (g E = .; (§ () 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. 6. Bibliographie Anonymes L. Energies renouvelables véhicules de développement local (2004). Conférence p3. Anonymes 2. lncidence des nouvelles donnes mondiales sur le secteur énergétique national (2003). lmpact 1, p6. Bradley Jack, (L979). Making fuel in your backyard, Biomass resources. Washington. Bradley Jean-Jack, (2002). Bioénergétique cellulaire. Ellipses. Paris. Boittard E; Faure B, (1991). Bioénergétique : I'ATP dans la cellule. Hachette. Paris. De Jong et Jansen, (1981). Cassava flour and starch : Progress in Research and Development. ORSTOM. Californie. Dessard A-J et Jordogne J-Paul, (1979). Chimie organique. A de Boeck. Bruxelles. Diarra A et Cissé Y (2004). Étude tvtultisectorielle Nationale : Evaluation des Opportunités et Contraintes au Développement dans la portion Malienne du bassin du Fleuve Niger : ACDI, Mali. EG-77-C-OL-4O42, (7980). Fuel from farms : A Guide to Small Scale Ethanol Production. Microfiche. USA. IDRC-MR3, (1979). Energy from biomass for developing countries. IDRC-MR3. Canada Stryer Lubert, (1981). Biochemistry. Freeman and Company, San Francisco. Terry E R., Oduro, KA et Caveness F, (1980). Plantes et racines tropicales. Microfiche. lbadan. World Bank, (1980). Alcohol production from biomass in developing countries. World Whashington. Trans-estérification de I'huile de Pourghère (Jatropha Curcas Linn.) par l'éthanol (FAST-2008) Bank. ,'/