FR2501011A1 - Procede biologique pour la conversion de pailles de cereales en un produit enrichi en proteines - Google Patents

Abstract

LE PROCEDE SELON L'INVENTION COMPREND LES ETAPES SUIVANTES: A.ON TRAITE SOUS FORME PARTICULAIRE UNE PAILLE DE CEREALES DANS UN MILIEU DE PRETRAITEMENT A UN DEGRE JUSTE SUFFISANT POUR RENDRE LA PAILLE DE CEREALE FERMENTESCIBLE PAR LE CHAMPIGNON CHAETOMIUM CELLULOLYTICUM POUR PERMETTRE LA FORMATION D'UN PRODUIT CONTENANT AU MOINS ENVIRON 5 DE BIOMASSE, EN MATIERE SECHE; B.ON PREPARE UN MILIEU DE FERMENTATION STERILE CONTENANT LADITE PAILLE DE CEREALES PRETRAITEE ET DES ELEMENTS NUTRITIFS NON CARBONES DE FERMENTATION; C.ON FAIT FERMENTER PAR VOIE AEROBIE LADITE MATIERE CELLULOSIQUE PRETRAITEE DANS LEDIT MILIEU DE FERMENTATION STERILE EN UTILISANT CHAETOMIUM CELLULOLYTICUM, A UN PH D'ENVIRON 5 A 7 ET A UNE TEMPERATURE D'ENVIRON 30 A 40C PENDANT UNE DUREE SUFFISANTE POUR DONNER UNE MASSE SOLIDE FERMENTEE CONSISTANT EN AU MOINS 5 DU CHAMPIGNON, EN MATIERE SECHE, ET LE RESTE DE MATIERE CELLULOSIQUE N'AYANT PAS FERMENTE; ET D.ON SEPARE LADITE MASSE SOLIDE DU MILIEU DE FERMENTATION.

Description

La présente invention concerne la conversion de résidus cellulosiques agricoles par un procédé de fermentation en produits qui contiennent une biomasse microbienne, ces produits étant intéressants en raison de leur teneur en protéines et autres ingrédients nutritifs comme aliment animal ou humain. Dans la description qui va suivre, les concentrations en substances sont exprimées en poids par unité de volume du mélange total (poids/volumi, en volumes par unités de volume du mélange total (volume/volume), en poids par unité de poids du mélange total (poids/poids) ou en poids par unité de poids du melange total, exprimé en matière sèche (matière sèche).

De grandes quantités de matières cellulosiques existent universellement comme résidus et déchets des opérations agricoles. En particulier, on les rencontre sous la forme de pailles de céréales, par exemple blé, orge, mais riz, avoine et seigle (parfois dénommées fourrages, par exemple le fourrage de maya). Ces matières contiennent principalement de la cellulose, ordinairement en combinaison avec des quantités notables d'hémicellulose et de plus faibles quantités de lignine. En raison de leur teneur en hydrates de carbone, ces matières représentent des ressources renouvelables potentiellement intéressantes pour la production d'aliments pour animaux.

On a proposé ou utilisé divers procédés connus pour convertir diverses matières cellulosiques en produits qui sont soi-disant appropriés comme produits de remplacement de la farine de soja et des substances riches en protéines semblables, pour les rations de protéines alimentaires pour animaux par l'utilisation de la cellulose comme source de carbone pour la fermentation de microorganismes en une biomasse enrichie en protéines. Les matières cellulosiques sont généralement résistantes à l'utilisation directe en phase solide dans ces fermentations et nécessitent un prétraite- ment pour mettre la cellulose sous une forme utilisable comme source de carbone par le micro-organisme.

Dans l'un de ces procédés de la technique antérieure, on cultive des levures sur des solutions liquides de sucres monomères qui sont produites par hydrolyse chimique des composants hémicelluloses et/ou cellulose de la matière cellulosique. Un exemple caractéristique de ce type de procédé est celui décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 937 845, par hydrolyse de la paille au moyen d'acide sulfurique avec utilisation ultérieure des sucres hydrolysés comme source de carbone pour la croissance de levures, conjointement avec Trichoderma viride, pour former un aliment pour animaux.

Dans un autre procédé de la technique antérieure, la matière cellulosique est d'abord prétraitée pour dépolymériser ou dégrader la lignine dans la matière cellulosique avant la culture sur la matière prétraitée de bactéries du genre Cellulomonas, élaborant de la cellulase. Le prétraitement implique l'utilisation d'une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium d'une concentration de 2 à 50% en poids, à des températures de 25 à 100"C et pendant une durée de 15 à 90 min. Un tel procédé est décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique nO 3 761 355 et 4 062 727.

Les procédés de la technique antérieure ont en général un certain nombre d'inconvénients qui sont considérés comme fortement indésirables. Les courts de traitement tendent entre élevés parce que les taux de conversion sont faibles et/ou des conditions extrêmes de température et/ou pression de prétraitement doivent être utilisées pour le prétraitement de la matiere cellulosique, et/ou la liqueur de prétraitement.doit Stre jetée. Dans certains cas, le produit ne convient pas comme ration de protéines alimentaires pour animaux, en raison d'une trop faible teneur en protéines et d'une trop mauvaise qualité de protéines. En outre, certains produits ne conviennent pas en raison de problèmes de toxicité et d1 indigestibilité.

Murray Moo Young et cois. ont précédemment indiqué dans un article intitulé "SCP Production by Chaetomium cellulolyticum, a
New Thermotolerant Cellulolytic Fungus", publié dans Biotechnology and Bioengineering, volume XIX, pages 527-538 (1977), qu'un champignon cellulolytique(alors)nouvellement isolé Chaetomium cellulolyticum (ATCC nO 32 319;; présentait un taux de croissance de 50 à 100% plus élevé et une production finale de protéines de biomasse de plus de 80% de plus que Trichoderma viride, organisme cellulolytique bien connu à forte production de cellulase, lorsque l'on utilisait certaines matières cellulosiques comme seule source de carbone dans les milieux de fermentation et, en outre, que la composition en aminoacides du produit obtenu supporte plus favorablement la comparaison avec la farine de luzerne et de soja que
Trichoderma viride.

Les matières cellulosiques comprennent la sciure de bois, matière résiduaire de sylviculture, et cette matière est soumise à une délignification partielle par traitement par NaOH à 17. pendant 1 h à l'ébullition, puis par ébullition pendant 1 h dans l'acide peracétique. Ce procédé rigoureux de prétraitement était choisi parce qu'il est couramment utilisé pour traiter les matières cellulosiques pour les préparer en vue de l'utilisation comme sources de carbone dans la fermeatation d'autres microorganismes, tels que des espèces Cellulomonas. En outre, la liqueur de prétraitement était jetée avant la fermentation des solides.

La demanderesse a maintenant découvert selon l'inven-.

tion que l'on peut utiliser un procédé different pour effectuer la fermentation de railles de céréales en phase solide dans une culture de Chaetomium cellulolyticua pour donner des produits contenant des proportions notables de biomasse microbienne. Selon l'invention, on effectue un traitement doux de la paille de céréales soit par un procédé simple de stérilisation en présence d'alcali dilué, soit par fermentation thermophile anaérobie, pour ramollir la paille et la rendre susceptible de fermentation par le champignon.

La phase liquide du traitement de ramollissement de la paille est conservée dans le milieu de fermentation.

Ce procédé contraste nettement avec la fermentation de Chaetomium cellulolyticum de la technique antérieure, dans laquelle on utilise une matière cellulosique comme source de carbone, le pré traitement étant rigoureux et la liqueur de prétraitement étant jetée et non pas utilisée dans le milieu de fermentation. Le procédé selon l'invention permet de produire une matiere protéinée à partir d'une matière résiduaire en agriculture, à savoir la paille de céréales, en une durée beaucoup plus courte, en présence de la liqueur de pré traitement, dans des conditions plus douces de traitement chimique et de manière plus économique que ce n'était le cas jusqu'à présent.

La présente invention concerne la conversion de pailles de céréales en une biomasse microbienne. Les pailles de céréales auxquelles s'applique l'invention comprennent le riz, l'avoine, l'orge, le blé et le mais.

La possibilité d'utiliser ces matières normalement résiduaires pour former des produits enrichis en protéines utiles dans l'alimentatin est un facteur important de centrale de la pollution de l'environnement de l'invention.

Le procédé selon l'invention consiste essentiellement en trois étapes : (1) prétraitement de la paille de céréales, (2) fermentation aérobie d'un mélange de la paille de céréales prétraitée, de la liqueur de prétraitement et d'une solution d'éléments nutritifs supplémentaires et (3) séparation des solides du mélange fermenté. Facultativement, le produit solide séparé peut entre séché.

Le prétraitement de la paille de céréales, qui est l'une des caractéristiques distinguant l'inveation des procédés antérieurs de fermentation cellulosique, comporte l'utilisation de l'un des trois modes opératoires possibles suivants. Le choix du mode opératoire à adopter dépend des économies dominantes des ressources disponibles.

Les deux premiers modes opératoires comprennent la stérilisation simple de la paille de céréales en contact avec un alcali pour ramollir la paille et la rendre susceptible de fermentation par le champignon. Le pré traitement alcalin est effectué dans des conditions d'énergie, et de temps qui sont utilisées de manière classique pour la stérilisation, des durées plus longues étant nécessaires pour des niveaux plus faibles d'énergie, comme il est bien connu de l'homme de l'art,
La force de l'alcali utilisé dépend de la proportion de la biomasse microbienne, de la teneur en protéines qui en découle, du produit qui est recherché.Un prétraitement minimal -correspond à un produit contenant au moins environ zen matière sèche, de biomasse microbienne, tandis que le prétraitement maximal correspond à un produit contenant 100% > en matière sèche, de biomasse De préférence, on effectue le prétraitement pour
obtenir une teneur en biomasse d'environ 20 à 80X en poids, en matière sèche (ou d'environ 9 à 36% de protéines, en matière sèche),
Dans le premier mode opératoire du pré traitement, on utilise un alcali chaud pour réaliser la stérilisation et le ramollissement. L'alcali est ordinairement une solution d'hydroxyde de sodium, bien que l'on puisse utiliser tout autre alcali souhaité.

On utilise l'hydroxyde de sodium dans ce mode opératoire à une concentration qui peut varier d'environ 0,25 à l,0 en poids/volume de NaOH et le pré traitement peut être effectué à n'importe quelle température appropriée dans l'intervalle d'environ 60 à 1210C. La durée de réaction nécessaire pour effectuer le pré traitement varie de manière interdépendante avec la température et elle est ordinairement de l'ordre d'environ 120 à 15 min. Des conditions caractéristiques sont une température de 1210C, pendant 20 min avec une solution de NaOH à 0,5%.

Le second mode opératoire du prétraitement comprend une combinaison de l'utilisation d'alcali froid et de rayons y.

Comme dans le premier mode opératoire du prétraitement, l'alcali est ordinairement l'hydroxyde de sodium, bien que l'on puisse utiliser tout autre alcali souhaité.

Dans ce second mode opératoire, on utilise la solution d'hydroxyde de sodium à une concentration qui peut varier d'environ 3 à 6% en poids de NaOH et à une température ambiante d'environ 15 à 300C. On peut appliquer les rayons r à une dose d'environ 10 à 50 mégarads. La durée nécessaire au prétraitement varie de manière interdépendante avec la dose de radiations et elle est ordinairement de l'ordre d'environ 120 à 60 min. Des conditions caractéristiques comprennent une dose de 10 mégarads pendant 120 min en utilisant NaOH à 4% à 250C. La source de rayons y peut être n'importe quelle matière émettant des rayons y, et avantageusement un déchet nucléaire émettant des rayons y.

Le troisième mode opératoire du prétraitement comprend la digestion anaérobie thermophile de la paille de céréale utilisant un fumier animal tel que le fumier de bétail ou le fumier de porc.

Cette fermentation anaérobie thermophile peut être effectuée dans les conditions classiques pour ces fermentations, comprenant ordinairement une température d'environ 50 à 600C et une durée de fermentation d'environ 4 à 8 jours, à titre d'exemple environ 4 jours à 55"C.

La dernière opération du pré traitement, néanmoins, est très longue en comparaison avec les procédés à l'alcali, bien que le mode opératoire soit tout à fait pratique lorsque l'on a à traiter de faibles quantités de paille de céréales, le méthane obtenu comme sous-produit est intéressant et on peut ne pas disposer de sources d'énergie pour les prétraitements à l'alcali.

La matière cellulosique est généralement réduite en particules avant le début du prétraitement et ce prétraitement est ordinairement effectué à une concentration en solide d'environ 5 à 30% en poids. Si on utilise la paille sous forme granulaire, les particules peuvent avoir une dimension moyenne de l'ordre d'environ 1 à 5 mm. Si on l'utilise sous forme de fibres, on peut utiliser des fibres coupées jusqu'S une longueur de 2 cm.

Une autre caractéristique importante du procédé de l'invention est que la suspension de la paille de céréales prétraitée et le milieu de prétraitement qui résulte de l'étape de prétraitement peuvent être et sont de préférence utilisés dans la formation du milieu de fermentation stérile. Dans les procédés antérieurs, on jetait le milieu de prétraitement, ce qui présentait un risque potentiel de pollution et une perte de matières nutritives intéressantes, comme on l'explique ci-après plus en détail.

La suspension qui résulte de l'étape de fermentation anaérobie doit seulement être stérilisée pour l'utilisation comme milieu de fermentation dans l'étape de fermentation. Le fumier fermenté par voie anaérobie fournit des éléments nutritifs non carbonés, tandis que la paille de céréales fermentée par voie anaérobie fournit la source de carbone.

Comme il est bien connu dans la technique de la fermentation, la présence de certaines éléments essentiels est nécessaire dans un milieu de fermentation pour donner une croissance microbienne correcte. Dans la présente description, le terme "éléments nutritifs non carbonés" désigne les éléments nutritifs classiques autres que le carbone. Le milieu de fermentation, dans la mesure où les éléments nutritifs ne sont pas fournis par la matière cellulosique prétraitée, est additionné d'une source extérieure d'éléments nutritifs non carbonés pour donner une composition globale du mélange qui soit conforme aux règles directrices concernant le milieu de fermentation.

I1 est bien connu qu'un micro-organisme utilise les éléments essentiels pour sa croissance dans des proportions spécifiques qui varient dans une faible mesure d'un organisme à un autre, mais généralement les éléments principaux carbone, azote, phosphore et potassium sont utilisés dans les proportions de C:N:P:K de 100:10.1:1 en poids et ce rapport est donc réalisé de manière caractéristique dans un milieu de fermentation. Les proportions de ces éléments peuvent varier cependant, mais l'organisme laissera inutilisée toute proportion en excès d'un élément donné quelconque.

Les éléments nutritifs non carbonés peuvent etre fournis sous la forme d'une solution stérile d'éléments nutritifs d'appoint à partir d'une source appropriée quelconque, telle qu'un milieu synthétique de substances chimiques contenant les éléments d'appoint non carbonés nécessaires, par exemple un mélange d'engrais.

Lorsque le milieu de pré traitement est conservé avec la paille de céréales prétraitée, dans le cas des modes opératoires de prétraitement à l'alcali, ce milieu fournit efficacement la totalité des éléments nutritifs non carbonés nécessaires autres que l'azote, par suite de la solubilisation d'éléments tels que le phosphore et le potassium à partir de la paille pendant le prétraitement. I1 est donc possible de satisfaire le besoin en éléments nutritifs non carbonés à partir d'une source externe par une substance chimique azotée simple, telle que sulfate d'ammonium ou urée.

La solution nutritive d'appoint peut également etre fournie par un fumier animal, tel que le fumier de bétail ou le fumier de porc. Le fumier animal peut être prédigéré par voie anaérobie, si on le désire, pour donner comme sous-produit le méthane, intéressant comme combustible, et on utilise ensuite la totalité de la boue résultant de la prédigestion à la fois comme sources d'éléments nutritifs non carbonés et de carbone.

La consistance de la bouillie résultante du milieu de fermentation est adaptée pour être appropriée dans les techniques classiques de fermentation submergée, par exemple jusqu'à environ 3% de solide en poids/volume. La fermentation peut cependant être effectuée à n'importe quelle concentration souhaitée permise par les techniques classiques de fermentation à l'état solide, à une concentration globale en solides allant géndralemen. jusqu'à environ 30% en poids.

On ajuste, si nécessaire > le milieu de fermentation à un pH dans l'intervalle d'environ 5 à 8, en particulier d'environ 5 à 7, et on l'inocule avec le champignon Chaetomium cellulolyticum.

On effectue la fermentation aérobie é une température d'environ 30 à 400C, par exemple d'environ 37 C, en utilisant de l'air stérile fourni par exemple h un débit de I à 2 volumes d'air par unité de volume du milieu et par minute.

Pendant la fermentation, le champignon utilise lapaille de céréales pour se reproduire et produire des enzymes du type cellulase, qui ramollissent la paille de céréales solide restant éventuellement inutilisée et améliorant donc sa digestibilité. On poursuit la fermentation jusqu'à ce que que l'on ait réalisé la croissance désirée du champignon, par exemple pendant environ 12 à 24 h,si l'on opère en discontinu. Dans les opérations en continu, la durée moyenne de passage du mélange dans le fermenteur est par exemple de 4 à 8 h pour une croissance appropriée.

La vitesse de fermentation peut être accrue d'environ 25 à 30X par incorporation dans le milieu de Fereentation de faibles quantités d'un carboxypolymethylène, ordinairement d'environ 0,01 à 0,03% en poids/volume.

Après la fin de la fermentation, on sépare la phase solide de la phase liquide. On peut utiliser la phase solide séparée telle quelle,ou ou bien on peut la sécher jusqu'à une faible teneur en humidité, généralement au-dessous d'environ 10% en poids, par exemple environ 8% en poids. La phase liquide peut être réutilisée
Si on le souhaite.

Le produit en phase solide contient des quantités variables de Chaetomium cellulolyticum selon le degré et les conditions du prétraitement et de la fermentation. Le produit contient au moins environ 5% de biomasse, en matières seches, ordinairement d'environ 20 à 80% et jusqu'à 100%, en matière sèche, si on le souhaite. Le reste de la phase solide consiste en paille de céréales n'ayant pas fermente.

La souche de Chaetomium cellulolyticum utilisée dans la présente invention est un champignon accessible à volonté auprès de l'American Type Culture Collection (ATCC nO 32319) et possède les propriétés suivantes:(l) utilisation de diverses matières cellulosiques ainsi que d'hydrates de carbone non cellulosiques comme aources de carbone nutritives pour sa croissance, (2) utilisation de divers mélanges tant synthétiques que non synthétiques comme éléments nutritifs non carbonés d'appoint pour sa croisstance, (3) croissance dans un intervalle de pH d'environ 5 à 8, le pH optimal étant d'environ 5 pour la cellulose insoluble et d'environ 7 pour l'hémicellulose solubilisée, et (4) croissance dans une gamme de températures d'environ 30à 450C, la température optimale étant d'environ 370C.

La composition moyenne du champignon est la suivante (X en matières sèches) : 45% de protéine brute, 40% d'hydrates de carbone, 10% de graisses, 5% de vitamines, matieres minérales, etc.

Le tableau suivant montre que le profil d'aminoacides du composant protéine du champignon est correct du point de vue nutritionnel et comparable avec la levure de fourrage (C. utilis), la protéine de farine de soja et la protéine de référence UN-FAO pour l'alimentation humaine.

TABLEAU
Aminoacide C. cellulolyticum C. utilis Farine Référence de ~~~~~~~~~~~~~~~~~ ~~~~~~~~~ de soja FAO
Thréonine 6,1 5,5 4,0 2,8
Valine 5,8 6,3 5,0 4,2
Cystine 0,3 0;7 1,4 2,0
Méthionine 2,3 1,2 1,4 2,2
Isoleucine 4,7 5,3 5,4 4,2
Leucine 7,5 7,0 7,7 4,8
Tyrosine 3,3 3,3 2,7 2,8
Phénylalanine 3,8 4,3 5,1 2,8
Lysine 6,8 6,7 6,5 4,2
Des essais d'alimentation in vivo et in vitro ont montré que le produit du procédé de l'invention convient comme supplément alimentaire pour animaux.

Le procédé selon l'invention permet donc de convertir la paille de céréales en un produit protéiné pour la consommation animale ou humaine, selon un mode opératoire unique fondamentalement différent des procédés antérieurs de fermentation cellulosique.

Les exemples ci-aprds illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. Dans ces exemples sauf indication contraire, la source de supplément nutritif pour donner les éléments essentiels autres que le carbone pour la croissance du champignon mentionnes dans les exemples ci Après est la suivante.

(1) Solution A : solution aqueuse synthétique à 2,35 g/l de (NH4)2S04.

(2) Solution B : mélange synthétique contenant, dans i litre de solu
tion aqueuse, 2 g de K82P04, 1,4 g de (NH4) 2804, 0,3 g d'urée,
0,3 g de MgSQq,7R20, 0,3 mg de GaC12, 5 mg de FeSO4, 7H2O, 1,6 mg
de EnS04,H20 1,4 mg de ZnS04,7H20, 2 mg de CoCl2.

(3) Solution C: mélange non synthétique de fumier de porc (excré
ments plus urine) dilué par l'eau jusqu8 une teneur intrin
saque en azote de 0,05% en poids/volume, les autres ingrédients
présents naturellement étant réduits en conséquence, et et enrichi
avec 0,05Z d'azote en poids/volume ajouté sous forme de (NH4)2S04 (4) Solution D :: mélange non synthétique de fumier de bétail (excré
ments plus urine) dilué par l'eau jusqu'S une teneur intrin
sèque en azote d'environ 0,055 en poids/volume, les autres ingré
dients présents naturellement étant réduits en conséquence, et
enrichi avec 0,0570 d'azote en poids/volume, ajouté sous forme de
(Nil4)2SO4.

(5) Solution E : mélange non synthétique d'un fumier de bétail digéré
par voie anaérobie, stabilisé, préalablement dilué par l'eau,
ayant une teneur intrinsèque en azote d'environ 0,1% en
poids/volume.

L'inoculum pour les fermentations mentionnées dans les exemples ci-après est préparé de manière suivante. On fait pousser Chaetomium ceiluîolyticum avec repiquages.successifs ô;.

partir d'un milieu de fermentation à base de glucose sur le milieu réel à base de cellulose, en utilisant des techniques classiques bien connues. On laisse se développer là culture microbienne visible pendant 1 jour, après quoi on sépare et on broie en conditions aseptiques dans un broyeur pour donner une suspension de débris de cellules microbiennes contenant par exemple environ 5% en poids/volume de solide. Une faible quantité de cette suspension, par exemple 5% en volume du milieu à faire fermenter constitue l'inoculum.

EXEMPLE 1
On prépare un milieu de fermentation en chauffant pendant 20 min par la vapeur vive, à 121"C, une suspens ion solideliquide consistant en 1% en poids/volume de particules solides d'un échantillon de paille de blé (dimension 1 mm) dans une eolu- tion contenant 50% en volume d'hydroxyde de sodium à 0,5X en poids/volume et 50% en volume de solution B. Après refroidissement à 370C du milieu ainsi préparé et réglage à pH 5 par une solution de H2S04 2N, on ensemence avec 5% en volume d'inoculum et on fait fermenter à 370C avec de l'air stérile en utilisant des techniques classiques de fermentation submergée en flacon agité.

Après une durée de croissance de 20 h, on sépare par filtration les solides fermentés et on les seche dans un four pendant une nuit à environ 800C jusqu'à une teneur en humidité d'environ 10% en matière sèche. On trouve que la teneur en biomasse microbienne des solides dans le milieu de fermentation initial a augmenté de O 44X en matière seche, ce qui correspond à une teneur en protéine brute d'environ 20Z en matière sèche, le reste étant la matière cellulosique non fermentée.Dans des essais classiques d'alimentation in vivo sur les rats, on trouve que le produit soutient favorablement la comparaison avec la caséine jusqu'à un remplacement de 20% de protéines en matière seche de la caséine qui est utilisée dans les aliments "témoins", en ce qui concerne l'absence de toxicité et de caractère tératogène, la digestibilité et l'efficacité d'utilisation des protéines.

EXEMPLE 2
On répète l'expérience de l'exemple 1 en utilisant des techniques classiques de fermentation submergée en cuve agitée.

Après une durée de croissance de 26 h, on trouve que la teneur en biomasse microbienne du produit est de 75% en matière sèche. Les résultats obtenus dans cet exemple illustrent l'amélioration notable habituelle dans la production que lton peut obtenir dans une cuve agitée mécaniquement avec barbotage de gaz, par rapport à la technique plus simple du ballon secoué aéré en surface.

EXEMPLE 3
On répète l'expérience de l'exemple 1, mais en utilisant la solution A au lieu de la solution B. Après une durée de croissance de 22 h, on trouve que la teneur en biomasse microbienne du produit est de 57% en matière sèche. Les résultats de cet exemple illustrent le fait que, lorsque l'on conserve le milieu de prétraitement avec la paille de céréales traitée à I'alcali, un simple sel-azoté, c'est-à-dire la solution A, est une source externe appropriée d'éléments nutritifs. Les autres éléments nutritifs dans la solution B ne modifient pas sensiblement les résultats obtenus.

EXEMPLE 4
On répète l'expérience de l'exemple 1 en utilisant un fourrage de mais ayant une longueur moyenne de fibres d'environ 1 cm comme matière cellulosique. On effectue la fermentation pendant une durée de croissance de 12 h. Le produit séché contient 73% en matière sèche de biomasse microbienne et sa digestibilité in vitro est de 68% en matière sèche.

EXEMPLE 5
On répète l'expérience de l'exemple 1 en utilisant la solution D comme supplément nutritif au lieu de la solution B.

Après une durée de croissance de 24 h, on trouve que le produit séché contient 71% de biomasse microbieane, en matière sèche.

EXEMPLE 6
On prépare un milieu de fermentation et on le fait fermenter comme décrit à l'exemple 1 en utilisant la solution E comme suplément nutritif. Après une durée de croissance de 20 h, on trouve que le produit séché contient 66% en matière sèche de biomasse microbienne.

EXEMPLE 7
On répète l'expérience de l'exemple 1 en utilisant un échantillon de pairle de riz (dimension moyenne de particules 1 mm) comme matière cellulosique. Après une durée de croissance de 24 h, le produit contient 71 ó de biomasse microbienne, en matière sèche,
EXEMPLE 8
On répète l'expérience de l'exemple 1 en utilisant du fourrage de mais comme matière cellulosique et en effectuant le prétraitement avec une solution d'hydroxyde de sodium à 4% en poids/ volume dans une suspension à 33,3% en poids/volume à température ambiante soumise à une dose de 12 mégarads de radiations y (au moyen d'une source de cobalt-60). Après une durée de croissance de 24 h, on trouve que la teneur en biomasse microbienne du produit est de 78% en matière sèche.Cet exemple illustre l'intérêt économique de l'utilisation de déchets radioactifs d'usines nucléaires dans l'étape de prétraitement.

EXEMPLE 9
On soumet une suspension à 2% en poids/volume de fourrage de mars broyé (dimension moyenne de particules environ 2 mm) dans un échantillon de fumier de porc pendant 4 jours au pré traitement dans un digesteur biologique anaérobie classique stabilisé utilisant le même type de fumier et fonctionnant dans des conditions thermophiles (550C). On stérilise le mélange résulte tant, on l'inocule et on fait fermenter comme à l'exemple 1. Apres une durée de croissance de 24 h, on trouve que la teneur en biomasse microbienne du produit est de 30% en matiere seche. Cet exemple illustre l'intérêt économique des procédés çouramment utilisés pour la digestion anaérobie de déchets organiques, tels que des fumiers d'animaux et des résidus d'aliments.

EXEMPLE 10 (a) On effectue une série d'expériences de fermentation en utilisant trois organismes différents, à savoir Chaetomium cellulolyticum (organisme A), Trichoderma viride (organisme B) et
Phanerochaete chrysosporium (organisme C). Les deux derniers organismes sont choisis parce qu'ils sont censés être les plus efficaces pour convertir les matières solides cellulosiques en protéines microbiennes.

Dans les expériences, on utilise comme matière cellulosique un fourrage de mas à une longueur moyenne de fibres d'environ 1 cm et on le soumet à un prétraitement, comme décrit à l'exemple 1, et on ajoute les solutions nutritives d'appoint pour donner les milieux de fermentation suivants
Type I : particules de fourrage de maïs prétraitées à l'alcali +
solution B
Type II : comme type I + solution E au lieu de solution B.

Pour chaque cas, on inocule trois lots du milieu de fermentation avec l'organisme et on fait fermenter en utilisant des techniques classiques en flacon secoué aéré à 370C et à un pH initial de 5.

Les trois organismes poussent selon les phases de croissance exponentielle et stationnaire habituelles et on détermine les rendements et les degrés de production de protéines de la biomasse microbienne. Les résultats sont reproduits dans le tableau suivant.

TABLEAU I
Organisme Type de milieu Rendement en Production maximale
protéines, par de protéines, par
rapport à rapport à l'orge
l'organisme A nisme A ~~~~~~~~~~~~ (%) (%)
A I 100 100
B I 56 44
C I 38 43
A II 100 100
B Il 50 63
C Il 36 39
Les résultats du tableau I ci-dessus montrent que
Chaetomium cellulolyticum est notablement plus efficace que les deux autres organismes, à la fois en ce qui concerne la vitesse de production des protéines et le rendement maximal de production de protéines.

(b) On effectue une autre série d'expériences dans lesquelles on ajoute 0 > 1% en poids/volume d'extrait de levure à la solution B et on utilise les conditions suivantes de température et de pH pour les divers organismes.

Organisme A : 37 C, pH 5
Organisme B : 300C, pH 5
Organisme C : 370C, pu 4,5
Les trois organismes poussent selon les phases de croissance exponentielle et stationnaire habituelles et les résultats obtenus pour les rendements et les degrés de production de protéines de la biomasse microbienne sont indiqués dans le tableau II suivant.

TABLEAU II
Organisme Type de milieu Rendement en pro- Production maximale
téines, par rapport de protéines par
à l'organisme A rapport à l'orga
nisme A (x) ~~~~~~~~~~~~~ (out) (%)
A I 100 100
B I 69 65
C I 46 75
A Il 100 100
B II 95 59
C II 84 81
Les résultats du tableau II ci-dessus montrent que, meme en présence d'un additif coûteux au milieu (extrait de levure) qui est censé donner les meilleures conditions de culture pour les organismes B et C Chaetomium cellulolyticum est sensiblement supérieur quant à la vitesse et au degré de production de protéines.

EXEMPLE 11
On effectue les fermentations en utilisant de la paille de blé broyée à 1 mm prétraitée en utilisant Chaetomium cellulolyticum cultivé selon des techniques classiques de fermentation aérobie à 370C et pH 5,5, avec la solution B comme appoint d'éléments nutritifs non carbonés. Dans un cas, on effectue le prétraitement en utilisant NaOH à 1%, puis l'acide peracétique, comme décrit dans l'article de Moo Young et coll. cité ci-dessus; dans un autre cas, on effectue le pré traitement en utilisant H2S04 b 2,5X comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3 937 845; et, dans un troisième cas, on effectue le simple prétraitement par stérilisation en utilisant NaOH à 1% seule, selon l'invention.

On compare la productivité en protéine (c'est-à-dire le rendement de production du produit protéiné) et la teneur en pro téinesdu produit pour le procédé de l'article de Moo Young et le procédé de l'invention, les résultats étant reproduits dans le tableau III suivant
TABLEAU III
Prétraitement Rendement. en pro- Teneur en protéines téines 7
Article de
Moo-Young et coll, (NaOH f acide peracétique) 100% 100%
Selon l'invention (NaOH seule) - 95% 95%
Ces résultats montrent que l'utilisation d'un pré- traitement sensiblement-plus doux de la paille de blé selon l'inven- tion ne nuit pas sensiblement d la production et à la teneur en protéines du produit.

La production de protéines, la teneur en protéines du produit et la digestibilité du produit sont comparées avec celles du produit obtenu selon le brevet des-Etats-Unis d'Amérique n 3 937 845. Ces résultats sont reproduits dans le tableau IV suivant.

TABLEAU IV
Pré traitement Rendement Teneur du Digestibi
en pro- produit en lité du trines ~ protéines produit
Selon l'invention (NaOH) 100% 100% 100%
Brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 937 845 (2,5Z H2S04) 100% 65% 47%
Selon l'invention + 0,01% poids/volume de Carbopol 934 125% 100% 100%
Les résultats indiqués dans le tableau IV montrent que, bien que l'utilisation d'un prétraitement à l'acide sulfurique pour solubiliser la matière cellulosique donne une productivité en protéines semblable à la fermentation effectuée sur une matière soumise au prétraitement doux selon llinvention, la teneur en protéines du produit et la digestibilité des protéines du produit comme aliment pour animaux sont notablement plus faibles. En outre, lorsque le milieu de fermentation contient une faible quantité de Carbopol 934 (carboxypolyméthylane à haut poids moléculaire), on obtient une augmentation de 25% du rendement de fermentation.

En résumé, l'invention propose donc un procédé pour convertir certains résidus de l'agriculture, notamment des pailles de céréales, en produits qui contiennent une biomasse microbienne fongique et qui sont intéressants comme aliments enrichis en protéines pour les animaux et pour l'homme.

I1 est entendu que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation préférés décrits ci-dessus à titre d'illustration et que l'homme de l'art peut y apporter diverses modifications et divers changements sans toutefois s'écarter du cadre et de l'esprit de l'invention.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1 - Procédé pour la formation d'une matière protéinée à partir d'une paille de céréales, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes (a) on traite sous forme particulaire une paille de céréales dans

-un milieu de prétraitement à un degré juste suffisant pour rendre

la paille de céréale fermentescible par le champignon Chaetomium

cellulolyticum pour permettre la formation d'un produit conte

nant au moins environ 5% de biomasse, en matière sèche; (b) on prépare un milieu de fermentation stérile contenant ladite

paille de céréales pré traitée et des éléments nutritifs non car

bonés de fermentation;; (c) on fait fermenter par voie aérobie ladite matière cellulosique

pré traitée dans ledit milieu de fermentation stérile en utili

sant Chaetomium cellulolyticum, à un pH d'environ 5 à 7 et à

une température d'environ 30 à 40 C pendant une durée-suffi-

sante pour donner une masse solide fermentée consistant en au

moins 5% du champignon, en matière sèche, et le reste de matière

cellulosique n'ayant pas fermenté; et (d) on sépare ladite masse solide du milieu de fermentation.

2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paille de céréales est du blé, de l'orge, du malles, du riz, de l'avoine ou du seigle.

3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la phase solide séparée est séchée jusqu' une teneur en humidité de moins d'environ 10% en poids.

4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le milieu de fermentation contient environ 0,01 à 0,3% en volume d'un carboxypolyméthylène.

5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à & 4, caractérisé en ce que les éléments nutritifs non carbonés sont fournis par un fumier d'animal.

6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 b 5, caractérisé en ce que le fumier d'animal est prédigéré par voie anaérobie.

7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre les étapes (a) et (b) en chauffant la paille de céréales sous forme particulaire avec une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium, à une concentration d'environ 0,25 à 1,0% de NaOH en poids/volume à une température d'environ 60 à 1210C, pendant une durée d'environ 120 à 15 min, suffisante pour stériliser la paille et former une suspension de la paille chauffée et de la solution usée d'hydroxyde de sodium et on mélange la suspension avec une solution chimique d'éléments nutritifs de fermentation non carbonés pour donneur, dans le milieu de fermentation stérile résultant, une proportion atomique des éléments C:N:P::K suffisante pour effectuer la fermentation fongique à une concentration en solides allant jusqu's environ 30X en poids/volume.

8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que. l'on effectue le chauffage à une température d'environ 1200C pendant environ 20 min, en utilisant une solution de NaOH a 0,5X en poids/volume.

9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on effectue les étapes (a) et (b) en prétraitant une paille de céréales sous forme particulaire avec une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium à une concentration d'environ 3 à 6% en poids de NaOH; à une température de 15 à environ 300C, tandis qu'on la soumet à l'irradiation par les rayons y à une dose d'environ 10 à 50 mégarads, pendant une durée d'environ 120 à 60 min suffisante pour stériliser la paille et former une suspension de la paille pré traitée et de la solution usée d'hydroxyde de sodium,et et on mélange la suspension avec une solution chimique d'éléments nutritifs de fermentation non carbonés pour donneur, dans le milieu de fermentation stérile résultant, une proportion atomique des éléments C:N:P:K suffisante pour effectuer la fermentation fongique à une concentration en solides allant jusqu'à environ 30r. en poids/volume.

10 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on effectue le prétraitement à une température d'environ 250C pendant environ 120 min, à une dose appliquée de radiations y d'environ 10 mégarads en utilisant une solution de NaOH à 4% en poids.

al - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on effectue les étapes (a) et (b) en soumettant la paille de céréales sous forme particulaire à une fermentation anaérobie thermophile en utilisant un fumier animal, à une température d'environ 58 b 50 C, pendant environ 4 à 8 jours, pour former un milieu de fermentation ayant une concentration en solides allant jusqu'a environ 30% en poids et contenant une phase solide de paille de céréales fermentée par voie anaérobie en conditions thermophiles et suffisamment d'éléments nutritifs pour effectuer la fermentation fongique et on stérilise le milieu de fermentation.

12 - Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le fumier animal est le fumier de porc.

13 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'on effectue l'étape (a) une concentration an solides d'environ 5 a 30% en poids.