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Bioéthanol : La production d’éthanol et de carburant Le bioéthanol (agroéthanol

Bioéthanol : La production d’éthanol et de carburant Le bioéthanol (agroéthanol ou l’éthanol agricole) est un alcool qui provient de la fermentation et de la distillation des substrats agricoles ou de certains déchets des industries agricoles ou forestières contenant dans leurs structures des sucres ou de composés chimiques pouvant être transformés en sucres comme l’amidon et la cellulose. Ceci fait que l’industrie de l’éthanol est actuellement basée sur les betteraves, le blé, le maïs, la pomme de terre, la canne à sucre, le manioc et les matériaux cellulosiques comme matières premières. Le choix de la matière première dépend en générale des caractéristiques agricoles du pays producteur ainsi, divers types de cultures sont utilisés pour la production d'éthanol. A titre d’exemples ; aux Etats Unis d’Amérique, le plus grand producteur, l’éthanol est produit à partir du blé alors qu’au Brésil, il est produit à partir de cannes à sucre. En revanche, les pays européens majoritairement, produisent l’éthanol à partir de la betterave. Quant à la production à partir de la biomasse ligno-cellulosique ou déchets agricoles, plusieurs unités pilotes et de production ont vu le jour à travers le monde. Le préfixe bio indique que l'éthanol est produit à partir de matière organique (biomasse) et n'a pas de lien avec le terme «bio» généralement utilisé pour désigner l'agriculture biologique. Fabrication Les végétaux contenant du saccharose (betterave, canne à sucre…) ou de l’amidon (blé, maïs, pomme de terre,…) peuvent être transformés pour donner du bioéthanol, obtenu par fermentation anaérobique des sucres comme le glucose le fructose et le saccharose extraits de la plante sucrière ou par hydrolyse enzymatique de l’amidon. En plus de l’éthanol, la fermentation produit du gaz carbonique. La fermentation fait appel à l’emploi de microorganismes (levures) et de bactéries. C2H12O6 2C2H5OH + CO2 Il y a lieu de distinguer entre les deux filières industrielles, la filière « sucre » pour désigner celle qui correspond à la fabrication du «bioéthanol» et la filière « huile » permettant de produire de l'huile végétale brute et du biodiesel (ester éthylique d'huile végétale ou EEHV). La filière «sucre» est de loin la plus développée dans le monde. Microorganismes de la fermentation alcoolique Les microorganismes sont sélectionnés par : taux de croissance et de fermentation élevés, rendement d’éthanol élevé, osmotolérance: capacité à évoluer dans un environnement à haute pression osmotique, résistance aux faibles pH et aux températures élevées, nature des substrats utilisés, résistance à la tolérance à l'éthanol et au glucose: permet la conversion d'aliments concentrés en produits concentrés. Les levures employées pour les sucres et amidons sont : saccharomyces cereviciae saccharomyces uvarum saccharomyces carlsbergensis kluyveromyces lactis candida brassicae candida utilis Les bactéries utilisées sont : zymomonas mobilis : pour l’amidon candida pseudotropicalis : lactose lactosérum Il y a lieu de préciser que la production commerciale est faite souvent avec les levures «saccharomyces cereviciae» et «saccharomyces uvarum». La levure «candida utilis» est utilisés pour la fermentation de la liqueur de sulfure résiduaire comme elle fermente également les pentoses. Lorsque du lactosérum de lait est utilisé, la souche de kluyveromyces fragilis est recommandée. Il a aussi été trouvé que les levures «Fusarium, Bacillus et Pachysolen tannophilus» peuvent transformer les sucres pentoses en éthanol. La bactérie «zymomonas» a plus du mérite sur la levure. Préparation de l’inoculum Après sélection du microorganisme désiré (levure ou bactérie) et son isolation dans une forme pure, l’inoculum est préparé sous conditions aseptiques. Pour cela, les organismes sont initialement préparés dans des flacons sous conditions aérobies pour augmenter la taille de l’inoculum. Le pH optimum est de 4.5 à 5 et la température entre 28 à 30 °C pour la levure. Matière première L’éthanol est produit à partir de trois différentes familles de substrats selon l’aspect économique et la région : o Matériaux de saccharide de sucres o Matières féculentes (amidon) o Matériaux ligno céllulosiques La production à partir de la betterave est préférable. Cette substance contient en général 15% en sucre, 82 % d’eau et peu d’amidon. Une tonne de betterave produit en moyenne 78 à 100 litres d’alcool. Le rendement alcoolique est amélioré par l’emploi des enzymes. La production peut aussi se faire à partir de la molasse qui contient entre 52 à 55 % de sucre fermentable. Une tonne de molasse conduit à une production de 265 et 300 litres d’éthanol. A partir des déchets de mais qui contiennent 7 à 15 % de sucre, il est possible de produire jusqu’à 70 litres d’éthanol par tonne de déchets. L’acidification dans ce cas pourrait être nécessaire. La pomme de terre contient entre 15 et 18 % de sucre fermentable, une tonne produit entre 75 et 100 litres d’éthanol. La pomme de terre est généralement chauffée sous pression de vapeur puis refroidie. En revanche la pomme de terre douce contient environ 28% de sucre fermentable et peut produire jusqu’à 150 litres d’éthanol. La dilution dans ce cas est nécessaire (66% d’eau). Plusieurs études sont menées sur les matériaux ligno-cellulosiques. Les difficultés avec ces matériaux résident dans leur faible porosité, leur cristallinité élevée et la teneur en lignine d’où la nécessité de traitements supplémentaires comme la vapeur, l’alcalinisation, l’acidification et l’hydrolyse enzymatique. Etapes principales de production d’éthanol A) SUCRES SACCHARIDES OU MATIÈRES FÉCULENTES Macération : les grains ou morceaux sont trempés dans une cuve d’eau à 10°C pendant 2 à 3 jours. Ceci est fait pour augmenter la teneur en humidité jusqu’à 40 % pour la germination Maltage : le maltage consiste en une germination contrôlée (par trempage et aération) ayant pour but de développer un complexe enzymatique, qui permet la désagrégation de l’amande, la solubilisation des matières azotées et, ultérieurement au brassage, la saccharification de l’amidon (c’est-à-dire la transformation de l’amidon en maltose). C’est le processus où le grain est prêt pour la production d’éthanol. Les grains peuvent germer. Les grains sont ensuite séchés. (Durée jusqu’à 10 jours). Tamisage : enlèvement des tiges et radicelles qui seront vendus comme aliment de bétail. Broyage : écrasement mécanique pour réduire la taille des grains sous forme de poudre d’amidon. Cuisson et liquéfaction : la poudre est mélangée à l’eau pour former le purin, la cuisson est aussi appelée gélatinisation ; l’eau interagit avec l’amidon et forme une suspension visqueuse lorsque la température est supérieure à 60 °C. L’étape de liquéfaction est réellement une hydrolyse partielle de l’amidon en sucre qui réduit la viscosité. Les enzymes suivants peuvent être rajoutés pour casser les longues chaînes d’amidon en chaînes plus petites : 1) α-amylase ; produit la dextrose de l’amidon 2) β-amylase ; produit le maltose de l’amidon Dans le but de réaliser la liquéfaction, la réaction doit avoir lieu sous certaines conditions. Le pH de la purée est maintenu entre 5.9 et 6.2 par addition d’ammoniac et d’acide sulfurique. Le mélange est traité entre 105 et 120 °C pour 2 à 7 minutes. La température élevée réduit le niveau de bactérie dans le mélange. Saccharification/conversion : le mélange précédent est refroidi et le second enzyme «gluco-amylase» est additionné pour convertir le liquide en sucre fermentable. La saccharification est le processus d'hydrolyse supplémentaire de l'amidon liquéfié en monomères de glucose. Le «gluco-amylase» réduit l’amidon restant en dextrose ou maltose. Fermentation : la levure «saccharomyces cerevisiae» est additionnée à la purée pour fermenter le sucre en éthanol et en dioxyde de carbone. En processus continu, le moût en fermentation peut s'écouler à travers les fermenteurs où il est entièrement fermenté, puis il quitte le bac de fermentation. En processus discontinu (batch), le moût reste dans un fermenteur pour terminer la fermentation. Près de 90-95 de glucose est converti en éthanol en 12 jours produisant 10% d’éthanol. Centrifugation : après la fermentation, les cellules sont séparées par centrifugation et renvoyées dans le fermenteur Récupération du produit : l’éthanol du bouillon de fermentation peut être récupéré par distillations successives. Néanmoins, une simple distillation n’est pas suffisante pour avoir l’éthanol à haute concentration. La rectification est l'application du processus de distillation uniquement qui produit 95% d'éthanol. Pour des concentrations supérieures à 95 %, des techniques spéciales sont adoptées. Distillation La purée fermentée est pompée dans le système de distillation à plusieurs colonnes à flux continu où les solides et la masse de boue sont séparés en laissant la solution d'alcool et d'eau. La concentration d’alcool dans le mélange liquide est aux alentours de 12 à 15 % (c.-à-d. ; 85 à 88 % d’eau dans le mélange). Comme l'éthanol n'est pas suffisamment séparé des impuretés, il est nécessaire de le purifier davantage, alors que la purée résiduelle, appelée drèches, est transférée de la base de la colonne vers la zone de traitement des coproduits. La décantation est effectuée pour obtenir des solides sans liquide. Ils sont séchés et utilisés pour l'alimentation du bétail et les engrais. Rectification Si le distillat (c'est-à-dire 12-15% d'alcool) obtenu lors de la distillation est à nouveau distillé, à l'aide d'une colonne de rectification, un nouveau distillat est obtenu avec une concentration encore plus élevée de composants volatils (également appelé alcool rectifié contenant 95% (ou parfois 96% éthanol). Colonne de rectification Sur une colonne de uploads/Industriel/ bioethanol.pdf