FR2461752A1 - Procede de fermentation pour la fabrication d'ethanol ou d'un compose organique volatil similaire - Google Patents

Abstract

UN MICROORGANISME TRANSFORME, PAR FERMENTATION, UN HYDRATE DE CARBONE EN ETHANOL OU EN UN COMPOSE ORGANIQUE VOLATIL ANALOGUE DANS UN FERMENTEUR 202. UNE PORTION DU MILIEU DE FERMENTATION EST TRANSFERE DANS UN SEPARATEUR 208 OU L'ETHANOL OU LE COMPOSE ORGANIQUE VOLATIL EST EVAPORE A UNE TEMPERATURE NON NUISIBLE POUR LE MICROORGANISME. LE MILIEU DE FERMENTATION DU FERMENTEUR 202 EST RECYCLE EN PARTIE OU NON. LE DEBIT DE TRANSFERT DUDIT MILIEU DE TRANSFORMATION EST TEL QUE LA CONCENTRATION DE L'ETHANOL OU DU COMPOSE VOLATIL ORGANIQUE EST SUFFISANTE, DANS LE FERMENTEUR 202, POUR MAINTENIR LA VITESSE DE FERMENTATION. ON COMPRIME LA VAPEUR SORTANT DU SEPARATEUR 208 QUI EST RECONDENSEE DANS UN SYSTEME DE TRANSMISSION DE CHALEUR 206 QUI SERT A L'EVAPORATION DE L'ETHANOL OU DU COMPOSE ORGANIQUE VOLATIL ANALOGUE DANS LE SEPARATEUR 208.

Description

t46 175? La présente invention est relative à un procédé de

fabrication d'éthanol ou d'un composé organique volatil simi-

laire par fermentation d'un hydrate de carbone au moyen d'un microorganisme. Il est connu de fabriquer de l'éthanol et certains autres composés organiques volatils tels que l'isopropanol,

le butanol et l'acétone par fermentation d'une matière de dé-

part appropriée contenant un hydrate de carbone.

Comme exemples de matières de départ qui sont appro-

priées à la production d'éthanol par fermentation à la levu-

re, on peut mentionner le sucre de canne, la betterave sucrière, les mélasses, le grain, les pommes de terre, le

manioc et le sorgho doux.

En général, lorsque le produit de tels procédés de fermentation atteint une concentration particulière dans le milieu de fermentation, il présente un effet toxique sur le

microorganisme respondable de sa production. Des concentra-

tions en éthanol, par exemple supérieures à 8 à 10 % en v/v, peuvent avoir un effet nuisible sur la levure, de sorte que le rendement de la production d'éthanol tombe lorsque la concentration en éthanol dépasse ce niveau. Comme conséquence, les procédés de fermentation connus doivent être effectués dans des solutions relativement diluées. Ceci entraîne un certain nombre d'inconvénients. Ces procédés comportent par exemple des problèmes en ce qui concerne les effluents, en raison de la grande quantité d'eau qui doit être éliminée,

dont une partie est contaminée. En outre, ils consomment éga-

lement des quantités relativement élevées d'énergie du fait

de la nécessité de récupérer de l'alcool à partir de solu-

tions ayant une faible concentration en alcool. La nécessité en ce qui concerne les matières de fermentation de rester dans l'installation de production pendant des périodes de temps relativement longues entraîne des frais élevés de matériel. Il a été suggéré que certains de ces inconvénients peuvent être surmontés lorsqu'on fabrique de l'éthanol en utilisant un procédé de fermentation dans lequel un courant

de milieu de fermentation est soutiré du récipient dans le-

quel est effectuée la fermentation et ce courant est alors soumis à une pression réduite dans un récipient séparé afin d'évaporer l'éthanol dans le courant. Cependant, un procédé de ce genre présente encore l'inconvénient d'un gaspillage de

ressources énergétiques.

La présente invention a pour objet de procurer un procédé de production d'éthanol qui permet une diminution sensible de la quantité d'énergie consommée pour la mise en

oeuvre du procédé.

L'invention vise en outre à procurer un procédé dans lequel un volume relativement petit d'eau doit être éliminé

comme effluent pendant la mise en oeuvre du procédé.

Suivant un mode de réalisation de la présente inven-

tion, on procure un procédé de fabrication d'éthanol ou d'un composé organique volatil analogue, procédé qui comprend la fermentation d'un hydrate de carbone dans un fermenteur en

présence d'un microorganisme qui transforme l'hydrate de car-

bone en éthanol ou en un composé organique volatil analogue, le transfert continu d'une portion du milieu de fermentation

dans un séparateur o l'éthanol ou le composé organique vola-

til analogue est évaporé à partir du milieu de fermentation

à une température non nuisible pour le microorganisme en sou-

mettant le milieu de fermentation à une pression réduite et en recyclant une partie ou tout le milieu de fermentation

restant dans le fermenteur, la vitesse de circulation du mi-

lieu de fermentation du fermenteur au séparateur et en sens inverse étant telle que la quantité d'éthanol ou de composé organique volatif analogue dans le milieu de fermentation

dans le fermenteur est maintenue suffisamment faible de ma-

nière à ne pas influencer négativement la vitesse de fermen-

tation, la compression de la vapeur sortant du séparateur

avec élévation conséquente de sa température et la reconden-

sation de la vapeur comprimée dans un système de transmission

de chaleur afin d'obtenir de la chaleur destinée à être uti-

lisée pour l'évaporation de l'éthanol ou du composé organique volatil

analogue à partir du milieu de fermentation dans le sépara-

teur. Suivant un mode de réalisation préféré du procédé de la présente invention, ce procédé comprend en outre un

stade consistant à soumettre la vapeur provenant du sépara-

teur à une distillation fractionnée sous pression réduite

de manière à séparer les constituants de la vapeur. De pré-

férence, la chaleur destinée à être utilisée pour la distil-

lation fractionnée de la vapeur est obtenue par recondensa-

tion de la vapeur comprimée obtenue du séparateur dans un

système de transmission de chaleur.

Suivant un mode de réalisation du présent procédé, on fait passer la vapeur comprimée, avant sa recondensation, à travers un désurchauffeur pour abaisser sa température à

une température inférieure à celle à laquelle le microorga-

nisme devient rapidement inactif, mais supérieure à celle du

liquide quittant le fermenteur. L'abaissement de la tempéra-

ture des vapeurs comprimées peut être effectué en pulvéri-

sant une quantité du produit organique volatil condensé dans

la vapeur comprimée ou en faisant passer les vapeurs à tra-

vers un système de transmission de chaleur o elles cèdent

une partie de la chaleur qu'elles contiennent.

Lorsque la fermentation est effectuée au moyen de levure, elle est de préférence réalisée entre 15 et 450C,

plus avantageusement entre 35 et 410C.

Pour maintenir les frais d'exploitation au minimum, la température du courant de liqueur de fermentation entrant

dans le séparateur doit être aussi élevée que possible. Ce-

pendant, cette température est limitée par l'aptitude de survie de la levure ou d'un autre microorganisme. Ainsi, il apparaît par exemple que les levures courantes ne supportent

pas des températures supérieures à 45-470C lors de la pro-

duction de l'éthanol. En conséquence, lorsqu'on produit de l'éthanol en utilisant une levure, la température maximale du courant de la liqueur de fermentation entrant dans le séparateur est généralement d'environ 470C et la vitesse de

circulation du milieu de fermentation et les autres varia-

bles doivent être choisies en conséquence.

Si l'on désire produire de l'éthanol ayant une con-

centration de 96 % en poids ou davantage à partir du dessus de la colonne de fractionnement, sans que cela entraîne des

frais supérieurs de fonctionnement de l'installation, la fer-

mentation doit être effectuée à une température de 300C ou davantage. En conséquence, lorsqu'on requiert de l'éthanol 2461t 5 2 d'une pureté de 96 % en poids ou plus, la fermentation est de préférence effectuée à une température comprise entre 30

et 470C, plus avantageusement à une température comprise en--

tre 35 et 410C.

La matière première pour le procédé de la présente

invention peut être une source quelconque d'hydrate de car-

bone qui peut être utilisée comme source de sucres, soit comme source directe de sucres, soit comme matière donnant un sucre par dégradation d'amidon, de cellulose ou d'autres polysaccharides. Ainsi, comme exemples de sources appropriées

de matières premières, on peut mentionner les produits agri-

coles tels que la canne à sucre, les betteraves sucrières, les betteraves de fourrage, les mélasses, les grains, les pommes de terre, le manioc et le sorgho doux. Ces produits

agricoles sont de préférence récoltés avant qu'ils ne con-

tiennent des quantités importantes de lignine, étant donné que la lignine est difficile à dégrader en sucres qui la

constituent. La saccharification de matières de départ con-

tenant de la cellulose au moyen d'une ou plusieurs enzymes

telles que la cellulase, produit également une matière pre-

mière appropriée; les produits de déchets de papier, le bois et les déchets de bois constituent des exemples de matières

de départ contenant de la cellulose.

Suivant un des modes de réalisation de l'invention, la fermentation est effectuée en utilisant une souche de Saccharomyces cerevisiae, de préférence à une concentration de 10 à 125 g de poids sec par litre. On peut faire varier le débit de recirculation selon divers facteurs, mais il sera en général compris entre 100 et 100.000 litres par minute,

de préférence entre 5.000 et 40.000 litres par minute.

Suivant un autre mode de réalisation de la présente invention, on procure un appareil pour la mise en oeuvré du présent procédé, cet appareil comprenant un fermenteur pour effectuer la fermentation d'un hydrate de carbone au moyen d'un microorganisme de manière à former de l'éthanol ou un

composé organique volatil analogue, un séparateur dans le-

quel l'éthanol ou le composé organique volatil analogue peut être évaporé du milieu de fermentation, un moyen pour le

transfert du milieu de fermentation du fermenteur au sépara-

teur et pour le recyclage de ce milieu de fermentation dans

le fermenteur, un compresseur pour comprimer la vapeur sor-

tant du séparateur et un système de transmission de chaleur en aval du compresseur, appropriés au transfert de chaleur destiné à être utilisé pour l'évaporation de l'éthanol ou du composé organique volatil analogue à partir du milieu de

fermentation dans le séparateur.

Suivant un mode de réalisation préféré de l'appareil

ou de l'installation suivant l'invention, cet appareil com-

prend une colonne de distillation fractionnée en aval du sépa-

rateur et en amont du compresseur.

Lorsqu'on utilise des charges de départ fortes telles que des mélasses, on utilise généralement un seul compresseur, mais lorsqu'on opère avec des charges de départ faibles, qui contiennent une proportion supérieure d'eau, l'utilisation

de deux compresseurs permet une économie supérieure d'éner-

gie, bien que l'emploi d'un seul compresseur est moins oné-

reux en termes de coût d'exploitation. En général, lorsqu'on utilise deux compresseurs, on en utilise un comme compresseur

principal pour obtenir une source de chaleur pour l'évapora-

tion de l'alcool à partir du milieu de fermentation dans le

séparateur et pour la distillation, tandis que l'autre com-

presseur est utilisé pour augmenter la pression d'une partie de la vapeur sortant du compresseur principal, vapeur qui est alors utilisée comme source de chaleur pour séparer de l'alcool résiduel de la liqueur aqueuse qu'on a fait passer

à travers le séparateur avant qu'on l'élimine comme effluent.

Le procédé et l'appareil de la présente invention sont particulièrement appropriés à la production d'éthanol en utilisant un procédé de fermentation à la levure, mais on prévoit également leur utilisation pour la préparation de

produits tels que de l'isopropanol, du butanol ou de l'acé-

tone en utilisant des fermentations fongiques ou des fermen-

tations bactériennes.

L'invention sera maintenant décrite plus en détail, uniquement à titre d'exemple non limitatif, en se référant au dessin annexé dans lequel: la figure 1 est un schéma de fonctionnement d'une installation appropriée à la mise en oeuvre d'un procédé conforme à la présente invention; la figure 2 est un schéma de fonctionnement similaire d'une variante de l'installation pour la mise en oeuvre d'un

procédé conforme à la présente invention.

Bien que l'invention sera décrite en se référant en particulier à une installation pour la fabrication d'éthanol en utilisant une levure comme microorganisme, on pense que

l'invention est également appropriée à la préparation d'au-

tres alcools et cétones telles que le butanol, l'isopropanol et l'acétone à partir de matières de départ appropriées en

utilisant des microorganismes appropriés.

On se réfère maintenant à la figure l;lorsque l'installa-

tion fonctionne,on introduit une matière première constituée

par un hydrate de carbone contenant une quantité choisie de le-

vure qui transformera l'hydrate de carbone en éthanol de manié-

re à obtenir un rendement élevé à la température appropriée la plus élevée sans qu'il en résulte des effets économiquement nuisibles,sous forme d'un milieu aqueux à travers un conduit d'alimentation 1 dans un fermenteur 2 o le sucre est soumis à la fermentation d'une manière connue entre 35 et 410C avec

production d'éthanol.

Afin d'éviter la nécessité de diluer la matière de départ

à une concentration standard comme dans les procédés de la tech-

nique connue,on soutire un courant du milieu de fermentation à partir du fermenteur par le conduit 4,on sépare de l'éthanol

du courant sous pression réduite dans un séparateur 14 et en-

suite on ramène une partie du courant dans le fermenteur par le conduit 6. De cette manière,on est capable de maintenir une

concentration optimale en éthanol dans le fermenteur correspon-

dant à la concentration maximale en éthanol pour l'obtentiond'

un rendement acceptable de la levure.Cette concentration opti-

male en éthanol est normalement comprise entre 8 et 12% en vo-

lume/volume.En outre,ce mode opératoire permet la réutilisation

de la levure et réduit le passage d'eau dans l'installation.

Afin de séparer l'éthanol du courant soutiré de milieu

de fermentation, on fait d'abord passer ce courant à tra-

vers un premier échangeur de chaleur 8 o il subit un pre-

mier chauffage qui élève la température du milieu à une tem-

pérature inférieure à celle à laquelle la levure est rapide-

ment rendue inactive (par exemple inférieure à environ 470C)

mais qui est telle qu'elle facilite l'évaporation subséquen-

te de l'éthanol sous pression réduite. La manière dont la chaleur est fournie à l'échangeur de chaleur 8 sera expliquée ci-dessous. A partir de l'échangeur de chaleur 8, le milieu de fermentation passe dans un conduit 10 à vanne dans un séparateur 14 qui fonctionne comme zone inférieure de la tour de fractionnement 12. Cette tour de fractionnement comportant le séparateur est maintenue sous une pression réduite qui permet l'évaporation d'un mélange comprenant de l'éthanol, de

l'eau et de l'anhydride carbonique à partir du milieu de fer-

mentation dans le séparateur sans élévation de la température du milieu à une température rendant la levure rapidement inactive. Afin de faciliter l'évaporation de l'éthanol, on

agite de préférence le milieu de fermentation dans le sépara-

teur 14 ou on le fait circuler suivant une spirale de manière à créer un tourbillon. La circulation en spirale peut être obtenue par exemple par utilisation d'un agitateur ou par

introduction du milieu suivant une tangente aux parois laté-

rales du séparateur. Le milieu sort alors du séparateur 14 par son fond à travers le conduit 6 et est ramené dans le

fermenteur 2. La circulation du milieu de fermentation à tra-

vers le circuit formé par le fermenteur 2, le conduit 4, l'échangeur de chaleur 8, le conduit 10, le séparateur 14 et

le conduit 6 est maintenue au moyen d'une pompe 16.

Le mélange de vapeur est émis dans le séparateur 14, qui présente de manière typique une concentration en éthanol d'environ 40 % en poids, passe vers le haut dans une colonne

de fractionnement 18 contenant un milieu de contact produi-

sant une chute à basse pression. Comme exemple d'un tel mi-

lieu de contact approprié, on peut mentionner du fil d'acier transformé en "tricot", tel que matériau vendu par Metex Corporation aux Etats-Unis d'Amérique sous la dénomination

commerciale Goodloe Column Packing.

On peut obtenir de l'éthanol ayant de manière typique

une concentration de 96 à 98 % en poids au sommet de la co-

lonne de fractionnement en utilisant une pression faible ap-

propriée à la distillation. Si l'on désire de l'éthanol de pureté inférieure, il n'est pas nécessaire d'abaisser la pression au sommet de la colonne dans la mesure requise pour l'obtention d'éthanol de pureté élevée ou on peut utiliser

une colonne comportant moins de milieu de contact ou un mi-

lieu de séparation moins efficace.

Les vapeurs obtenues au sommet de la tour de frac-

tionnement sont alors amenées par le conduit 20 dans un com-

presseur 22 et sont comprimées. Ce stade de compression élève la température de la vapeur et la vapeur chaude est alors utilisée comme source de la chaleur requise pour séparer le

mélange d'éthanol/eau/anhydride carbonique du milieu de fer-

mentation et pour effectuer une distillation fractionnée subséquente du mélange. La plus grande partie de la chaleur

requise pour la distillation du mélange est fournie au mélan-

ge par contact dans un échangeur de chaleur 26, la vapeur

très chaude sortant du compresseur par le conduit 32, un cou-

rant de liquide étant soutiré par un conduit 30 à partir d'un plateau 28 immédiatement au-dessus du séparateur. Etant donné

que le liquide devant être chauffé dans l'échangeur de cha-

leur 26 est un liquide "propre" dans le sens qu'il ne con-

tient pas de quantité importante de microorganismes, il n'est

pas nécessaire d'abaisser la température de la vapeur compri-

mée dans le conduit 32 (c'est-à-dire de réduire le degré de surchauffe) avant que la vapeur ne soit introduite dans l'échangeur de chaleur 26. Le courant de liquide chauffé dans l'échangeur de chaleur 26 est ramené par le conduit 34 dans la tour de fractionnement 12 et réintroduit dans la tour à un emplacement au-dessus du plateau 28. La cession de chaleur de la vapeur d'éthanol comprimée au courant de liquide précité provoque la condensation de la vapeur d'éthanol. L'échangeur de chaleur 26 agit efficacement comme désurchauffeur de la - vapeur comprimée dans le conduit 32 par abaissement de sa température à une valeur inférieure à celle à laquelle la levure devient rapidement inactive, mais supérieure à celle

du liquide quittant le fermenteur.

Le courant résultant d'éthanol circule par le conduit

36 vers le premier échangeur de chaleur 8 précité ou par con-

densation et refroidissement, il fournit au courant du milieu de fermentation retiré du fermenteur la chaleur requise pour obtenir la vitesse-d'évaporation désirée du mélange d'éthanol/ 344 ITSt

eau dans le séparateur 14. La température du courant d'étha-

nol entrant dans l'échangeur de chaleur 8 est inférieure à la température à laquelle la levure contenue dans le milieu de fermentation devient rapidement inactive de sorte que la liqueur de fermentation remise en circulation sur l'autre côté de l'échangeur de chaleur 8 ne peut pas être influencée

défavorablement par contact avec une surface trop chaude.

La proportion d'éthanol dans le conduit 36 qui circule à

travers l'échangeur de chaleur 8 peut être contrôlée en ré-

glant de manière appropriée une vanne 38 dans un conduit de dérivation 40. L'éthanol condensé provenant de l'échangeur de chaleur 8 est amené par un conduit 42 dans un réservoir

44 à partir duquel de l'éthanol purifié est remis en circula-

tion à travers la tour de fractionnement 18 conformément à

des techniques de fractionnement classiques. L'éthanol puri-

fié est remis en circulation au moyen d'une pompe 50 qui fait

circuler l'éthanol à travers un conduit 48 vers un distribu-

teur 49 au sommet de la colonne 18. Une partie de l'éthanol purifié est éliminée du conduit 48 par l'intermédiaire d'un conduit 46 vers un réservoir (non représenté) sous forme de

produit final.

La zone supérieure du réservoir 44 communique par l'intermédiaire d'un conduit 52 avec un condenseur 54 qui sert à la condensation de l'éthanol dans le mélange gazeux présent dans le réservoir et à le ramener dans ce réservoir par passage par les conduits 56 et 42. D'autres constituants gazeux plus volatils que l'éthanol, tels que du C02, sont

comprimés à la pression atmosphérique au moyen d'un compres-

seur 58 en aval du condenseur 54 et sont lâchés dans l'atmos-

phère par le conduit 60 après avoir été d'abord combinés avec les constituants gazeux sortant du sommet du fermenteur

2 par le conduit 62 et après passage à travers un autre con-

denseur 64. Cette dernière condensation réduit en outre au minimum les pertes de produit dans l'atmosphère, le produit

condensé provenant du condenseur 64 étant réuni par le con-

duit 66 avec le produit dans le conduit 30 entrant dans

l'échangeur de chaleur 26.

Les constituants moins volatils des vapeurs sortant du séparateur 14 se rassemblent au fond de la colonne de

246 1 7%

fractionnement 12 au plateau 28. L'excès de liquide dans le

plateau 28 est retiré par le conduit 87 et est amené au som-

met d'une colonne de séparation 74 (décrite plus en détail ci-dessous) o l'éthanol résiduel dans le liquide est séparé avant l'élimination du résidu aqueux sous forme d'effluent

par le conduit 69.

Afin de compenser l'addition d'eau et d'autres pro-

duits non convertibles dans le fermenteur 2, une partie du milieu de fermentation sortant du séparateur 14 est soutirée par le conduit 68. Avant de l'éliminer comme effluent par le conduit 69, cette matière est traitée de manière à récupérer la levure en excès et l'éthanol qu'elle contient. Ainsi, la matière soutirée par le conduit 68 passe à travers un filtre

ou une centrifugeuse 70 o la levure est séparée et on main-

tient la teneur en levure en remettant en circulation de la levure comme requis vers le fermenteur, le restant étant éliminé du système. On soumet alors le filtrat ou le liquide

qui surnage à une distillation fractionnée ou à une sépara-

tion pour récupérer de l'éthanol.

Afin d'effectuer la distillation fractionnée ou la séparation, le filtrat ou le liquide surnageant passe par un conduit 72 à travers un premier échangeur de chaleur 78 o il subit un chauffage par l'effluent liquide sortant par le

conduit 76 du fond de la colonne de séparation 74. Le fil-

trat passe alors de l'échangeur de chaleur 78 dans un autre

échangeur de chaleur 80 o il reçoit une quantité supplémen-

taire de chaleur d'un courant latéral 82 de vapeur d'éthanol chaude prélevée à partir du conduit 32 en aval du compresseur

22. Après qu'il ait quitté l'échangeur de chaleur, le cou-

rant latéral 82 d'éthanol est amené par le conduit 84 dans le réservoir 44, tandis que le filtrat quittant l'échangeur de

chaleur par le conduit 86 est amené à un point d'entrée pro-

che du sommet de la colonne de séparation 74. Les vapeurs sor-

tant du sommet de la colonne 74 sont amenées par le conduit 88 dans la tour de fractionnement 12 et introduites dans celle-ci au pied de la colonne de fractionnement 18. Pour des charges de départ fortes telles que des mélasses et du sirop de canne à sucre et des charges de départ provenant de manioc,

on utilise en général de la vapeur d'eau pour fournir la cha-

1461M leur requise pour la distillation fractionnée. Cependant,

dans le cas de charges de départ faibles, telles que du su-

cre de canne et des betteraves à sucre qui contiennent un pourcentage supérieur en eau et, de ce fait, comportent des quantités supérieures d'effluent aqueux qui doit être débar- rassé de son alcool résiduel, on peut économiser davantage

d'énergie en obtenant la chaleur pour la distillation frac-

tionnée non à partir de vapeur d'eau, mais en faisant passer les vapeurs sortant du sommet de la colonne de séparation

74 à travers un compresseur. Ceci a pour conséquence une élé-

vation de la température des vapeurs et on fait alors passer les vapeurs chauffées à travers un échangeur de chaleur o la chaleur est transmise à du liquide prélevé de la colonne de séparation 74 et ensuite recyclé au pied de cette colonne 74. Les vapeurs passant à travers ce dernier échangeur de chaleur et ayant perdu la plus grande partie de leur chaleur

sont alors amenés au pied de la colonne de fractionnement 18.

Bien que l'installation décrite ci-dessus comprenne deux échangeurs de chaleur séparés 26 et 8, dans lesquels de la chaleur est transmise à l'éthanol devant être séparé et distillé, l'échangeur de chaleur 26 étant utilisé pour un liquide "propre" et l'échangeur de chaleur 8 étant utilisé pour le milieu de fermentation contenant de la levure, il

est possible d'utiliser un appareillage dans lequel on em-

ploie uniquement un seul échangeur de chaleur pour effectuer ce transfert de chaleur et, dans ce cas, il y a transfert de chaleur uniquement au milieu de fermentation contenant de

la levure. Lorsqu'on opère ainsi, il est nécessaire de ré-

duire le degré de surchauffe de la vapeur comprimée sortant du compresseur 22 afin d'abaisser la température de cette vapeur à une valeur inférieure à celle à laquelle la levure

devient rapidement inactive, mais supérieure à celle du mi-

lieu liquide quittant le fermenteur. Cette réduction du degré de surchauffe est effectuée avantageusement en pulvérisant une certaine quantité de l'éthanol condensé dans la vapeur

comprimée circulant dans le conduit 32.

Il y a lieu de comprendre que, lorsque de l'alcool

d'une pureté non supérieure à 40 % en poids/poids est accep-

table, il n'est pas nécessaire que la colonne de distillation t 461752 18 soit incluse dans l'installation. Les vapeurs sortant du séparateur 14 qui ont une teneur en éthanol d'environ 40 % en poids/poids peuvent, après passage à travers un système de lavage approprié, être comprimées elles-mêmes directement et on peut ensuite les faire passer à travers un système échangeur de chaleur comme décrit ci-dessus. Cependant, si on désire de l'alcool, d'une pureté supérieure à 40 % en poids/poids, une colonne de fractionnement doit être prévue

en aval du séparateur.

* On se réfère maintenant à la figure 2 o on représen-

te une installation légèrement modifiée pour la mise en oeu-

vre du procédé de la présente invention. A de nombreux égards, cette variante est similaire à l'installation représentée sur la figure 1, les différences principales consistant en ce que le séparateur 208 dans cette installation est séparé de la colonne de rectification ou de distillation 210 et en ce qu'on utilise seulement un échangeur de chaleur 206 pour la transmission de la chaleur des vapeurs comprimées sortant du compresseur 212 au milieu de fermentation dont on veut faire évaporer l'éthanol. En outre, ce montage de l'installation utilise deux compresseurs 212 et 226 au lieu du compresseur unique 22 de l'installation de la figure 1. En général, pour

des charges de départ faibles, l'utilisation d'un seul com-

presseur est moins onéreuse en termes du coût d'exploitation, mais l'utilisation de deux compresseurs séparés comme repré-

senté sur la figure 2 permet une économie supérieure d'énergie. Les modes de réalisation de la figure 2 seront d'abord décrits en se référant à une installation pour la production de 100.000 litres par jour d'alcool à partir d'un

jus de betteraves sucrières. On introduit une charge de dé-

part préparée du jus de betteraves sucrières, d'eau de levure et de substances nutritives contenant 15 % en poids de

sucres fermentables par un conduit d'alimentation 250 à rai-

son de 1200 tonnes/jour (t/j) dans un fermenteur en continu 202 ayant une capacité de 120 m. Dans le fermenteur 202, les sucs sont soumis à la fermentation d'une manière connue à une

température comprise entre 35 et 41'C avec production d'étha-

nol. Un courant du contenu du récipient de fermentation conte-

24617e? nant de manière typique 6 % en poids/poids d'éthanol est soutiré par le conduit 252, l'éthanol est séparé du courant par évaporation dans un séparateur 208 et le fluide restant est recyclé dans le fermenteur par l'intermédiaire du conduit 260. La circulation du fluide à partir du fermenteur 202 vers le séparateur 208 et dans le sens retour est maintenue au moyen d'une pompe de circulation 204 ayant typiquement un débit de 6400 1/minute. Le courant du milieu de fermentation soutiré du fermenteur au moyen de la pompe 204 passe par le

conduit 254 à travers un échangeur de chaleur 206 o sa tem-

pérature est augmentée à environ 400C et est ensuite amenée par le conduit 256 dans un séparateur ou un récipient 208 à évaporation instantanée o un mélange comprenant de l'alcool, de la vapeur d'eau et du gaz carbonique est évaporé du milieu de fermentation, l'évaporation étant effectuée sous pression réduite, de manière typique 0,09 bar, d'une manière connue en permettant le maintien de la température du milieu à une valeur suffisamment basse pour empêcher la levure de devenir

rapidement inactive.

Le liquide résiduel dans le séparateur 208 est rame-

né à une température comprise entre 35 et 370C dans le fer-

menteur par le conduit 260. Afin de maintenir la concentra-

tion en eau dans le fermenteur 202, on prélève du liquide du circuit de recyclage vers le fermenteur par l'intermédiaire du conduit 261. De la levure est séparée de la liqueur dans une installation de séparation de levure 218 et la liqueur clarifiée passe alors par le conduit 290 dans une colonne de séparation 220 o l'alcool qu'elle contient est séparé avant qu'on l'élimine comme effluent aqueux par le conduit 294,

facultativement vers une installation de traitement biolo-

gique.

Une partie de la levure recueillie dans l'installa-

tion de séparation de levure 218 peut être retournée dans le fermenteur 202 pour maintenir la concentration en levure à un niveau choisi, le restant étant éliminé par le conduit 264 comme sous-produit (de manière typique une quantité de à 6 tonnes de poids sec/jour). Le mélange de vapeurs émis dans le séparateur 208 contenant généralement environ 40 % en poids d'éthanol passe

M461752

alors à travers un conduit 258 vers une colonne de rectifica-

tion ou de distillation fractionnée 210 qui, comme ci-dessus, contient de préférence un milieu de contact permettant une séparation efficace sous pression réduite des constituants du mélange de vapeurs. Les vapeurs sortant par le sommet de la colonne de rectification 210, sortent à une pression de

0,6 bar et à une température de 19,70C et contiennent, de ma-

nière typique, de 96 à 98 % en poids d'éthanol et sont amenées par le conduit 266 vers un compresseur principal 212 (800 kW)

et sont comprimées. D'une manière typique, ce stade de com-

pression augmente la pression de l'éthanol à 96 % en poids/ poids à environ 0,30 bar à une température de saturation d'environ 500C. La vapeur résultante est alors amenée dans

un échangeur de chaleur 206 o elle cède une partie de la cha-

leur qu'elle contient au courant du milieu de fermentation entrant dans l'échangeur de chaleur par le conduit 254. Comme indiqué ci-dessus, la température des vapeurs entrant dans l'échangeur de chaleur 206 doit être maintenue à une valeur inférieure à celle à laquelle la levure-dans la liqueur de

fermentation est rapidement rendue inactive. Ceci est effec-

tué commodément en pulvérisant une certaine quantité d'étha-

nol déjà purifié dans les vapeurs comprimées dans le conduit 268. Après passage à travers l'échangeur de chaleur 206, l'éthanol à une température d'environ 50C quitte l'échangeur de chaleur par un conduit 270 et est amené dans un réservoir 214. L'éthanol (96 à 98 % en poids) sort de l'installation par le conduit 272, la pompe 216 et le conduit 274 avec un

débit d'environ 100.000 litres/jour (c'est-à-dire 79 t/j).

Une partie de l'éthanol purifié est remise en circulation par la pompe 216 à travers le conduit 275 vers le sommet de la

colonne de fractionnement 210.

Le liquide qui se rassemble au fond de la colonne de rectification 210 et qui a été débarrassé de la plus grande partie de l'alcool contenu, est soutiré par le conduit 276

et amené au sommet de la colonne de séparation 220 o l'étha-

nol résiduel éventuellement présent est séparé du liquide résiduel. Une partie du liquide qui est retiré de la colonne de rectification 210 par le conduit 276 est amenée par le conduit 280 vers un rebouilleur 222 o elle est chauffée par

2461?52

échange thermique avec une fraction de l'éthanol comprimé prélevé à partir du conduit 268 et est ensuite recyclée dans la partie inférieure de la colonne de rectification 210 par le conduit 282. La fraction précitée d'éthanol comprimé est amenée dans le rebouilleur 222 à partir du conduit 268 à travers le conduit 284 et est amenée après passage à travers

le rebouilleur et le conduit 286 au réservoir 214.

Le liquide introduit par le conduit 276 dans la

colonne de séparation 220 ensemble avec le liquide sans levu-

re provenant de l'installation de séparation de levure intro-

duit dans la colonne de séparation par le conduit 290 avec

un débit d'environ 40 m 3/h, est débarrassé de l'éthanol rési-

duel contenu et est soutiré sous forme de résidu de distilla-

tion par le conduit 292 et au moyen de la pompe 224 à partir du fond de la colonne avec un débit d'environ 1025 tonnes/ jour. La chaleur requise pour la colonne de séparation 220 est obtenue soit à partir d'une source de chaleur extérieure telle que de la vapeur d'eau (par exemple à raison de 156 tonnes/jour), introduite par le conduit 296 ou en prélevant une partie de l'éthanol comprimé purifié à partir du conduit

268 et en le comprimant davantage dans un compresseur sépa-

rateur 226 (360 kW). De manière typique, ceci augmente la température de saturation de la vapeur à environ 700C (à une

pression de 0,80 bar). L'éthanol comprimé provenant du com-

presseur séparateur 226 est amené par le conduit 298 dans un rebouilleur 228 à colonne de séparation o il cède de la chaleur à un courant de fluide prélevé par l'intermédiaire

du conduit 302 à partir de la région inférieure de la colon-

ne de séparation 220, ce courant de fluide retournant à la colonne de séparation par le conduit 304 à une température d'environ 60C. L'éthanol sortant du rebouilleur à colonne de séparation est alors amené par le conduit 300 dans un

réservoir 214.

De l'éthanol et d'autres vapeurs sortant du sommet de la colonne de séparation 220 sont ramenés par le conduit

294 dans la colonne de rectification 210 pour une purifica-

tion supplémentaire.

De la vapeur d'éthanol et du C02 qui se rassemblent dans le réservoir 214 sont amenés à travers un conduit 306 t46 17t52

dans un système de condenseur du type représenté sur la fi-

gure 1 o l'éthanol est condensé et ramené à travers le con-

duit 308 dans le réservoir 214. La pression du gaz carbonique

sortant du récipient précité est élevée à la pression atmos-

phérique et on le relâche dans l'atmosphère à raison d'envi-

ron 16 tonnes/jour.

L'installation de la figure 2 contient également pour la mise en oeuvre d'un procédé qui produit 100.000 litres par

jour d'éthanol à 96 % en poids à partir de mélasses de bette-

raves. Le procédé est effectué comme décrit ci-dessus pour la production d'éthanol à partir de jus de betteraves à sucre, mais on indique cidessous des conditions opératoires typiques. - Débit d'introduction de matière de départ constituée par des mélasses de betteraves (59 % en poids de sucre) 300 t/j - Débit de remise en circulation du milieu de fermentation 21.600 1/min - Compresseur principal (212) 800 kW Compresseur séparateur (226) 50 kW - Température-et pression des produits de distillation dans le conduit 266 20,50C à 0,06 bar - Vapeur d'eau requise pour la colonne de séparation 220 20 t/j - Débit du fluide dans le conduit 290 environ 0,5 m 3/h Les produits obtenus au moyen du procédé sont: - Ethanol (à 96 % en poids) 100.000 litres/jour - C0 dans le fermenteur 45 t/j

_ 2

- Co2 à partir du réservoir 214 45 t/j - Résidu de distillation (à partir

du conduit 292) 126 t/j.

Il y a lieu de comprendre que, bien que dans les pro-

cédés décrits ci-dessus, pour la production d'éthanol, les

levures ne supportent pas une exposition prolongée à des tem-

pératures supérieures à 700C, une exposition pendant une brève durée à des températures supérieures à 500C n'aura en

général pas d'effet négatif sérieux sur la levure. D'une ma-

nière-générale, le present procédé est effectué de manière telle que la masse de la levure se trouve à une température

moyenne non supérieure à environ 470C bien qu'un peu de mi-

lieu de fermentation contenant la levure puisse être en con-

tact pendant une brève période de temps avec des surfaces se

trouvant à une température plus élevée allant jusqu'à 70C.

Comme cela a été décrit, le présent procédé est habi- tuellement effectué au moyen d'une installation comprenant

soit un seul compresseur principal, soit un compresseur prin-

cipal ensemble avec un compresseur séparateur associé. Le fait d'utiliser ou non un compresseur séparateur dépend des économies relatives réalisées en ce qui concerne le coût de l'installation et l'énergie consommée. Lorsqu'on utilise des

matières de départ faibles, celles-ci comprennent une propor-

tion élevée d'eau ce qui entraîne la nécessité de se débar-

rasser de quantités relativement élevées d'eau. Dans un tel cas, la solution la moins onéreuse au point de vue énergie consiste à utiliser un compresseur principal pour obtenir de la vapeur comprimée qui peut être utilisée comme source de chaleur pour la séparation et la distillation principales

d'éthanol, et un compresseur séparateur pour prendre une par-

tie des vapeurs comprimées et les amener à une pression supé-

rieure, ces vapeurs à la pression supérieure étant alors uti-

lisées comme source de chaleur pour séparer l'éthanol rési-

duel du liquide aqueux qui doit être éliminé comme effluent de l'installation. La solution la moins coûteuse actuellement en ce qui concerne les frais engagés consiste à utiliser un seul compresseur principal pour l'obtention de la chaleur pour les stades de séparation et de distillation principales et à utiliser la vapeur d'eau comme source de chaleur pour

la colonne de séparation.

Pour des charges de départ fortes dans lesquelles la quantité d'effluent aqueux devant être débarrassée d'éthanol est plus petite, on préfère la seconde variante mentionnée ci-dessus dans laquelle on utilise uniquement un compresseur principal, étant donné que les frais associés à la production

de vapeur d'eau pour la colonne de séparation sont pratique-

ment identiques à ceux associés au fonctionnement du compres-

seur séparateur.

t46 1752

Claims (40)

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'éthanol ou d'un composé organique volatil analogue, caractérisé en ce qu'il comprend les stades suivants: on fait fermenter dans un fermenteur un hydrate de carbone au moyen d'un microorganisme qui trans-

forme l'hydrate en carbone, en éthanol ou en un composé orga-

nique volatil analogue, on transfère de manière continue une portion du milieu de fermentation dans un séparateur o

l'éthanol ou le composé organique volatil analogue est évapo-

ré à partir du milieu de fermentation à une température non nuisible pour le microorganisme en soumettant le milieu de

fermentation à une pression réduite et en recyclant une par-

tie ou tout le milieu de fermentation restant dans le fermen-

teur, le débit du milieu de fermentation du fermenteur au séparateur et dans le sens retour étant tel que la quantité d'éthanol ou de composé organique volatil analogue dans le

milieu de fermentation dans le fermenteur est maintenue suf-

fisamment basse de manière à ne pas influencer défavorable-

ment la vitesse de fermentation, on comprime la vapeur sor-

tant du séparateur en élevant ainsi sa température et on

recondense la-vapeur comprimée dans un système de transmis-

sion de chaleur afin d'obtenir la chaleur destinée à l'éva-

poration de l'éthanol ou du composé organique volatil analo-

gue à partir du milieu de fermentation dans le séparateur.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé

en ce que la fermentation est effectuée entre 15 et 450C.

3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé

en ce que la fermentation est effectuée entre 33 et 410C.

4. Procédé suivant l'une des revendications précé-

dentes, caractérisé en ce que le microorganisme est une

souche de Saccharomyces cerevisiae.

5. Procédé suivant l'une des revendications précé-

dentes, caractérisé en ce que la fermentation est effectuée en utilisant une levure à une concentration de 10 à 125 g

(poids sec) par litre.

6. Procédé suivant l'une des revendications précé-

dentes, caractérisé en ce que le débit du milieu de fermenta-

tion est compris entre 100 et 100.000 litres par minute.

7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé

9461?5#

en ce que le débit est compris entre 5000 et 40.000 litres

par minute.

8. Procédé suivant l'une des revendications précé-

dentes, caractérisé en ce que les vapeurs sortant du sépara-

teur comprennent 15 à 50 % en poids d'éthanol.

9. Procédé suivant l'une quelconque des revendica-

tions précédentes, caractérisé en ce qu'on soumet, antérieure-

ment au stade de compression précité, la vapeur sortant du

séparateur à une distillation fractionnée sous pression ré-

duite en séparant ainsi les constituants de la vapeur.

10. Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la chaleur destinée à la distillation fractionnée de la vapeur est obtenue par recondensation dans un système de transmission de chaleur de la vapeur comprimée obtenue du

séparateur.

11. Procédé suivant la revendication 9 ou 10, carac-

térisé en ce que la vapeur sortant du sommet de la colonne

de fractionnement comprend 80 à 99 % en poids d'éthanol.

12. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé

en ce que la vapeur sortant du sommet de la colonne de frac-

tionnement comprend de 96 à 98 % en poids d'éthanol.

13. Procédé suivant l'une des revendications 9 à 12,

caractérisé en ce que la distillation fractionnée est effec-

tuée à une pression de 0,02 à 0,10 bar au sommet de la

colonne.

14. Procédé suivant l'une des revendications 9 à 13,

caractérisé en ce que le liquide sortant du fond de la colonne de fractionnement est soumis à un stade de séparation

subséquent pour en séparer l'éthanol résiduel.

15. Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que la vapeur d'éthanol séparée du liquide précité est

ramenée dans la colonne de fractionnement pour sa redistil-

lation.

16. Procédé suivant l'une des revendications 9 à 15,

caractérisé en ce que la vapeur sortant du sommet de la

colonne de fractionnement est comprimée en un stade compres-

sion unique à une pression comprise entre 0,1 et 1 bar.

17. Procédé suivant l'une des revendications 9 à 15,

caractérisé en ce que la vapeur sortant du sommet de la t46 1752 colonne de fractionnement est comprimée, en un premier stade de compression, à une pression comprise entre 0,1 et 0,5 bar et ensuite une partie de cette vapeur comprimée est soumise à un autre stade de compression pour amener la vapeur à une pression comprise entre 0,5 et 1 bar.

18. Procédé suivant la revendication 17, et les re-

vendications 14 ou 15, caractérisé en ce qu'on fait passer

la vapeur qui a été soumise à un stade de compression supplé-

mentaire à travers un échangeur de chaleur o elle cède une partie de la chaleur qu'elle contient à du liquide prélevé

de la colonne de séparation et recyclé dans celle-ci de ma-

nière à fournir ainsi la chaleur requise pour séparer l'étha-

nol du liquide précité.

19. Procédé suivant l'une des revendications 9 à 13,

caractérisé en ce que la distillation fractionnée est effec-

tuée dans une colonne de distillation se trouvant au-dessus du séparateur, la colonne précitée et le séparateur étant

logés dans une tour commune.

20. Procédé suivant l'une des revendications précé-

dentes, caractérisé en ce qu'une partie du liquide de fermen-

tation ayant passé à travers le séparateur n'est pas recyclée,

mais est retirée, la levure en est séparée et le liquide ré-

sultant est alors soumis à un stade de séparation pour en

séparer l'éthanol.

21. Procédé suivant la revendication 20, caractérisé en ce qu'une partie de la levure séparée du liquide précité

est recyclée dans le fermenteur.

22. Procédé suivant la revendication 20, et les re-

vendications 9 à 19, caractérisé en ce que l'éthanol séparé

du liquide précité est ramené dans la colonne de fractionne-

ment pour sa redistillation.

23. Procédé suivant les revendications 20, 21 ou 22,

caractérisé en ce qu'une partie ou toute la chaleur requise pour effectuer le stade de séparation précité est obtenue à

partir des vapeurs qui sont sorties de la colonne de frac-

tionnement et qui ont été comprimées.

24. Procédé suivant l'une des revendications 9 à 23,

caractérisé en ce que les vapeurs sortant de la colonne de fractionnement sont comprimées et, avant d'être recondensées, t461752

on les fait passer à travers un désurchauffeur o leur tem-

pérature est abaissée à une valeur inférieure à celle à la-

quelle le microorganisme devient rapidement inactif, mais

supérieure à celle du liquide quittant le fermenteur.

25. Procédé suivant la revendication 24, caractérisé en ce que la température des vapeurs comprimées est abaissée

en faisant passer les vapeurs à travers un système de trans-

mission de chaleur.

26. Procédé suivant la revendication 24, caractérisé en ce que la température des vapeurs comprimées est abaissée en pulvérisant une certaine quantité d'éthanol condensé ou du

produit organique volatil analogue dans la vapeur comprimée.

27. Procédé suivant l'une des revendications précé-

dentes, caractérisé en ce que l'hydrate de carbone est un constituant d'une matière de départ obtenue à partir d'une

batterave fourragère, de canne à sucre, de betterave sucriè-

re, de grains, de pommes de terre, de manioc ou de sorgho doux.

28. Procédé suivant l'une des revendications précé-

dentes, caractérisé en ce que l'hydrate de carbone est un

constituant de mélasses.

29. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 26,

caractérisé en ce que l'hydrate de carbone est un constituant d'une matière de départ contenant de la cellulose, qui a été

saccharifiée.

30. Procédé suivant la revendication 29, caractérisé en ce que la matière de départ contenant de la cellulose est constituée par du bois, des déchets de bois, de la bagasse,

du papier déchet ou des déchets de papier.

31. Ethanol ou composé organique analogue, caracté-

risé en ce qu'il est préparé au moyen d'un procédé suivant

l'une des revendications précédentes.

32. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé sui-

vant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un fermenteur pour effectuer la fermentation d'un hydrate de

carbone au moyen d'un microorganisme pour former de l'étha-

nol ou un composé organique volatil analogue, un séparateur

dans lequel l'éthanol ou le composé organique volatil ana-

logue peut être évaporé à partir du milieu de fermentation,

un moyen pour transférer le milieu de fermentation du fermen-

teur au séparateur et pour recycler-ce milieu dans le fermen-

teur, un compresseur pour comprimer la vapeur sortant du sé-

parateur et un système de transmission de chaleur en aval du compresseur approprié au transfert de chaleur destiné à l'évaporation de l'éthanol ou du composé organique volatil

analogue à partir du milieu de fermentation dans le séparateur.

33. Appareil suivant la revendication 32, caractérisé

en ce qu'il comprend en outre une colonne de distillation f rac-

tionnée en aval du séparateur et en amont du compresseur.

34. Appareil suivant la revendication 33, caractérisé en ce que la colonne de distillation fractionnée est remplie d'un matériau de remplissage qui est de la laine d'acier en tricot.

35. Appareil suivant les revendications 32, 33 ou 34,

caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour réduire le

degré de surchauffe des vapeurs comprimées sortant du compres-

seur précité afin d'abaisser la température de ces vapeurs comprimées à une température inférieure à celle à laquelle le microorganisme devient inactif, mais supérieure à celle

du liquide quittant le fermenteur.

36. Appareil suivant la revendication 35, caractéri-

sé en ce que le moyen pour réduire le degré de surchauffe

des vapeurs comprimées est un échangeur de chaleur.

37. Appareil suivant la revendication 35, caractéri-

sé en ce que le moyen pour réduire le degré de surchauffe des vapeurs comprimées comprend un moyen de pulvérisation permettant d'introduire de l'éthanol ou le composé organique

volatil analogue dans les vapeurs comprimées.

38. Appareil suivant l'une des revendications 33 à

37, caractérisé en ce qu'il comprend une colonne de sépara-

tion permettant de séparer l'éthanol résiduel du liquide

aqueux qui doit être éliminé comme effluent.

39. Appareil suivant la revendication 38, caractéri-

sé en ce qu'il comprend un autre compresseur pour comprimer à une pression supérieure une partie des vapeurs comprimées

sortant du compresseur précité, et un système de transmis-

sion de chaleur associé pour transmettre de la chaleur au

246 1 752

liquide aqueux dont on veut séparer l'éthanol résiduel dans

la colonne de séparation.

40. Appareil suivant l'une des revendications 32 à

39, caractérisé en ce qu'il comprend une installation de séparation de la levure pour séparer la levure en excès du

liquide sortant du séparateur.