FR2501233A1 - Procede pour la bioconversion de pates cellulosiques industrielles en un produit enrichi en proteines - Google Patents

Abstract

LE PROCEDE SELON L'INVENTION COMPREND LES ETAPES SUIVANTES: A.ON FAIT FERMENTER PAR VOIE AEROBIE UN MILIEU STERILE DE LA MATIERE CELLULOSIQUE SOUS FORME PARTICULAIRE ET D'UNE SOLUTION D'ELEMENTS NUTRITIFS D'APPOINT NON CARBONES DANS UNE CULTURE DE CHAETOMIUM CELLULOTYTICUM A UN PH D'ENVIRON 5 A 7 ET A UNE TEMPERATURE D'ENVIRON 30 A 45C PENDANT UNE DUREE SUFFISANTE POUR FAIRE POUSSER LE CHAMPIGNON ET FOURNIR UNE MASSE SOLIDE CONSISTANT EN AU MOINS ENVIRON 5 DU CHAMPIGNON, EN MATIERE SECHE, ET LE RESTE DE MATIERE CELLULOSIQUE NON FERMENTEE, ET B. ON SEPARE LA MASSE SOLIDE RESULTANTE DU MILIEU DE FERMENTATION. APPLICATION: PRODUCTION D'ALIMENTS POUR ANIMAUX.

Description

La présente invention concerne la conversion de matières cellulosiques par un procédé de fermentation en produits qui contiennent une biomasse microbienne, ces produits étant intéressants comme aliment pour l'homme ou les animaux en raison de leur teneur en protéines et autres éléments nutritifs. Dans la description qui va suivre, les concentrations en substances sont exprimées en poids par unité de volume du mélange total (poids par volume), en volume par unité de volume du mélange total (en volume), en poids par unité de poids du mélange total (en poids) ou en poids par unité de poids du mélange total en matière sèche (en matière seche).

De grandes quantités de matières cellulosiques se rencontrent connue résidus et déchets de traitement industriel et d'autres opérations. On les trouve sous diverses formes traitées telles que boues de pâte de la fabrication du papier, couramment connues sous le nom de boues de clarification, café, couramment connu sous le nom de marc de café, et canne å sucre, couramment connue sous le nom de moëlle de bagasse. Ces matières contiennent principalement de la cellulose ordinairement en combinaison avec des quantités notables d'hémicellulose et des quantités plus faibles de lignine.A cause de leur teneur en hydrates do carbone, ces matières représentent des ressources biorenouvelables potentiellement intéressantes pour les procédés de fermentation dans la production de protéines microbiennes comestibles.

On a proposé ou utilisé divers procédés connus pour convertir les matières cellulosiques en produits qui sont soi-disant appropriés conne produits de remplacement pour le foin et les fourrages semblables, pour l'énergie des hydrates de carbone métabolisablesdans les aliments pour ruminants. Ces procédés utilisent des transformations physiques et/ou chimiques des matières simplement pour faciliter leur digestibilité; aucune fraction de la matière cellulosique initiale n'est transformée en protéine.

On a également proposé ou utilisé divers procédés connus pour convertir des matières cellulosiques en produits qui sont censés être appropriés comme produits de remplacement de la farine de. soja et des substances semblables riches en protéines pour les rations de protéines alimentaires pour les animaux.

Parmi ceux-ci, on connatt deux types principaux de procédés de fermentation. Dans le premier procédé, on cultive des levures sur des solutions de sucresliquidesqui sont produites par hydrolyse chimique des composants hémicellulose ettou cellulose de la matière col- lulosique. Dans le second procéda on cultive des bactéries cellulolytiques sur les composants solides cellulose et/ou hémicellulose de la matière cellulosique.

Dans les procédés de la technique antérieure cidessus, on trouve une ou plusieurs es car2ctiristiques indésirables suivantes : (1) les coats de traitement sont élevés parce que les taux de conversion sont faibles et,ou un prétraitonient chimique de la matière, ordinairement en conditions rigoureuses, est nécessaire, (2) le produit ne convient pas comme aliment pour animaux parce qutil est trop toxique et/ou trop tadigeste, (3) le produit ne convient pas comme ration de protéinesalimentairespour animaux parce que sa teneur en protéines est trop faible et/ou la qualité de ses protéines est trop mauvaise.

La présente invention élinine les problèmes de la technique antérieure en proposant un nouveau procédé de fermentation pour le traitement économique d'une matière cellulosique industrielle qui peut Titre un produit dérivé du bois tel que la pâte de bois ou la pâte 8 papier, une matière résiduaire telle qu'une boue de fabrication du papier, le café et le sucre ou des matières amidonnéescellulosiques telles que bananes, pommes de terre, ignames et cassave.

La matière cellulosique n'est pas soumise à un pré traitement quelconque autre que la stérilisation, Si elle nest pas déjà stérile, et on lui ajoute un appoint d'éléments chimiques nutritifs non carbonés,la matière cellulosique fournissant la source de carbone.

La matière cellulosique, qui est dans la phase solide,est convertie par fermentation adrobie en un produit enrichi en protéines contenant des quantités notables de biomasse microbienne sous forme du champignon Chaetomium cellulolyticum (ATCC 32319), le produit étant approprié parce que sûr, digestible et nutritif pour la consommation animale et humaine.

La présente invention concerne la conversion d'un hydrate de carbone cellulosique en une biomasse microbienne par fermentation. Le terme "matiere cellulosique" s'entend ici pour designer une patte cellulosique industrielle contenant au moine 10% de cellulose en matière sèche, y compris la pate de bois et le papier et les matieres résiduairos cellulosiques elles que boues de broyeur a pâte, par exemple d'un broyeur b pâte type Kraft, résidus de grains de café et résidus de fibres de sucre de canne.

Bien que l'invention concerne en particulier l'utilisation de ces hydrates de carbone principalement cellulosiques, l'invention concerne également la conversion d'hydrates de carbone cellulosiques qui sont associés avec des quantités notables d'hy-.

drates de carbone non cellulosiques, tels que les amidons, en la biomasse microbienne. Les hydrates de carbone cellulosiques de ce type comprennent les bananes et les récoltes de racines, par exemple pommes de terre, igname et cassave.

La possibilité d'utiliser normalement des matières résiduaires pour former des produits enrichis en protéines interessants sur le plan nutritionnel est un facteur significatif de lutte contre la pollution de l'environnement.

Le procédé de l'invention consiste essentiellement en deux étapes : (1) fermentation aérobie d'un mélange stérile de la matière cellulosique et d'une solution d'éléments nutritifs d'appoint et (2) séparation des solides du mélange fermenté.

Facultativement, le produit solide peut être séché.

La matière cellulosique est généralement réduite en particules avant le début du procédé. Si on l'utilise sous forme granulaire, les particules peuvent avoir une dimension moyenne dans une gamme allant jusqu'à environ 5 mm. Si on l'utilise sous forme de fibres, on peut utiliser des fibres ayant des longueurs allant jusqu'à 20 mm.

On melange la matière cellulosique particulaire avec les suppléments nutritifs pour donner les éléments nutritifs non carbonés essentiels qui manquent dans la matière cellulosique.

La matière cellulosique fournit la source de carbone pour la croissance du micro-organisme. Comme il est bien connu dans la technique, la présence de certains éléments essentiels est nécessaire dans un milieu de fermentation pour obtenir une croissance microbienne convenable. On entend ci-après par "éléments nutritifs non carbonés" les éléments nutritifs classiques autres que le carbone. On ajoute les éléments supplémentaires au milieu de fermentation à partir d'une source externe d'éléments nutritifs non carbonés pour donner une composition globale du mélange qui soit conforme aux règles directrices pour les compositions de milieu de fermentation.De manière caractéristique, les éléments principaux comme le carbone, l'azote, le phosphore et le potassium sont dans des proportions C:N:P:K 100:10:1:1 en poids
On stérilise si nécessaire le milieu de fermentation consistant en le mélange de matière cellulosique et de la solution d'éléments nutritifs d'appoint, par un procédé classique quel conque > par exemple par chauffage pendant un certain temps en utilisant de la vapeur vive ou de la chaleur indirecte. La matière cellulosique n'est pas soumise à un procédé de prétraitement selon l'invention, contrairement à d'autres procédés de fermentation utilisant des matières cellulosiques.La nature de la pite cellulosique industrielle que l'on fait fermenter selon l'invention permet que la fermentation se produise sans la nécessité des opérations rigoureuses de prétraitement de la technique antérieure.

La consistance de la suspension est maintenue A une valeur convenable pour la fermentation submergé, par exemple jusqu'à environ 3% en poids par volume de solides. La fermentation peut cependant être effectuée à n1 importe quelle concentration voulue jusqu'à environ 30% en poids permise par les techniques classiques de fermentation à l'état solide, par exemple à une concentration globale en solides comprise généralement entre environ 15 et 30% en poids du mélange.

La solution d'éléments nutritifs d'appoint peut être fournie par une source convenable quelconque telle qu'un mélange synthétique de substances chimiques contenant les éléments non carbonés nécessaires courme appoint, par exemple un mélange fertilisant. La solution d'éléments nutritifs d'appoint peut également être fournie par un engrais animal tel que l'engrais de bétail ou de porc. L'engrais animal peut être prédirigé par voie anaérobie si on le désire pour produire simultanément du méthane comme sous-produit combustible intéressant.

On ajuste si nécessaire le milieu de fermentation à un pH d'environ 7 à 8, en particulier d'environ 5 à 7,et on l'inocule avec Chaetomium cellulolvticum. On effectue la fermentation à une température d'environ 30 à 40"C, par exemple aux environsde 37"C, en utilisant l'air stérile, fourni par exemple par un débit de 1 à 2 volumes d'air par unité de volume du milieu et par minute.

Pendant la fermentation, le champignon utilise les matières premières pour se reproduire et produire des enzymes du type cellulase qui hydrolysent les hydrates de carbone contenus dans le milieu en substances fermentescibles et ramollisent également la matière cellulosique solide inutilisée et améliorent ainsi leur digestibilité. On continue la fermentation jusqu'à ce que l'on ait atteint la croissance voulue du champignon, par exemple pendant environ 12 à 24 heures si l'on opère en discontinu. Dans les opéra- tions en continu, une durée moyenne de passage du milieu de fermentation est, par exemple, de 4 à 8 heures pour une croissance convenable.

Lorsque la fermentation est terminée, on sépare la phase solide de la phase liquide. On peut utiliser telle quelle la phase solide séparée, ou bien on peut la sécher jusqu'à une faible teneur en humidité, généralement moins d'environ 10% en poids, par exemple environ 8% en poids. La phase liquide peut etre réutilisée, si on le souhaite.

Le produit en phase solide contient des quantités variables de Chaetomium cellulolyticum, selon le degré et les conditions de fermentation. Le produit contient au moins environ 5X de biomasse en matière sèche, ordinairement d'environ 20 à 807. Le reste de la phase solide consiste en matière cellulosique n'ayant pas fermenté.

Chaetomium cellulolvticum est un champignon récemment isolé, accessible à volonté auprès de 1'American Type Culture Collection (ATCC nO 32319), et possède les caractéristiques suivantes : (1) utilisation de divers hydrates de carbone cellulosiques et non cellulosiques comme aliment carboné pour sa croissance, (2) utilisation comme éléments nutritifs d'appoint non carbonés de divers mélanges synthétiques et non synthétiques, (3) croissance dans une gamme de pH d'environ 5 à 8, le pH optimal étant d'environ 5 pour la cellulose insoluble et environ 7 pour l'hémicellulose solubilisée et (4) croissance dans une gamme de températures d'environ 30 à 450C, la température optimale étant d'environ 370C.

La composition moyenne du champignon est la suivante (% en matière sèche) : 45% de protéines brutes, 40I d'hydrates de carbone, 10% de graisses, 5% de vitamines, matières 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 à 1 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. Celluloloticum C.utiles Farine de Référence soja FAO ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ soja FAO
Thréonine 6,1 ,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 1,9 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
On a trouvé dans des essais de nutrition in-vivo et in-vitro que le produit obtenu par le procédé selon l'invention convient comme ingrédient d'aliments pour animaux.

Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. Sauf indication contraire, la source d'éléments nutritifs supplémentaires pour fournir les éléments essentiels autres que le carbone pour la croissance du champignon dans les exemples ci-après est la suivante (1) Solution A.

Mélange synthétique contentant, dans un litre de solution aqueuse:2g de KH2P04, 1,4 g de (NH4)2S04, 0,3 g durée, 0,3 g de MgS04,7H20, 0,3 g de CaCl2, 5 mg de FeSO4,7H2O, 1,6 mg de MnS04,H20, 1,4 mg de ZnS04,7H28, 2 mg de CoCl2; ou
(2) Solution B.

Mélange non synthétique de fumier de porcs (excrément plus urine) dilué par l'eau jusqu'à une teneur intrinsèque en azote d'environ 0,05% en poids par volume, les autres ingrédients présents naturellement étant réduits en conséquence, et enrichi avec un supplément de 0,05 b en poids par volume d'azote ajouté sous forme de (NH4)2S04.

L'inoculum pour les fermentations mentionnées dans les exemples ci-après est préparé de la manière suivante. On fait pousser Chaetomium cellulolyticmn avec repiquages successifs à partir d'un milieu de fermentation à base de glucose sur le milieu réel à base de matière cellulosique, en utilisant des techniques classiques bien connues. On laisse se développer la croissance microbienne visible pendant un jour après quoi on sépare et on broie en conditions acétiques dans un mélange pour obtenir une suspension de débris microbiens, contenant par exemple environ 5% en poids par volume de solide. Une faible quantité de cette suspension, par exemple 5% en volume du milieu à faire fermenteur, constitue l'inoculum.

Exemple 1
On stérilise par la vapeur vive un milieu de fermentation consistant en 1% en poids par volume d'une pato de bois (pate de bois de sapin délignifiée ayant une longueur moyenne de fibres d'environ 1 cm) dans une solution contenant 50% en volume d'eau du robinet et 50% en volume de solution A. Après refroidissement à 370C et réglage du pH à 5 par une solution de H2S04 2N, on ensemence le milieu avec 5% en volume d'inoculum et on fait fermenter à 37"C avec l'air stérile en utilisant des techniques classiques de fermentation submergée en flacon agité.

Après une durée de croissance de 20 heures, on sépare par filtration les solides fermentes et on les sèches dans un four pendant une nuit à environ 800C jusqu'à une teneur en humidité d'environ 8% en poids par volume. On trouve que la teneur en biomasse microbienne des solides dans le milieu de fermentation initial s'est accrue de O à 91% en matière sèche (correspondant à une teneur en protéine brute de 41% en matière sèche), le reste consistant en matière cellulosique non fermentée.Dans des essais classiques d'alimen tation in vivo sur les rats,on on trouve que le produit est favorablement comparable à la caséine jusqu'au remplacement de 40% en poids de protéine en matière sèche de la caséine qui était utilisée dans les aliments témoins, en ce qui concerne l'absence de toxicité et ce caractère tératogène, la digestibilité et la valeur nutritive en protéines.

Exemple 2
On prépare un milieu de fermentation et on le fait fermenter comme décrit à l'exemple 1 pendant une durée de croissance de 18 heures en utilisant un échantillon broyé de boues de broyeur à pate type Kraft (dimension moyenne de particules environ 1 mm) comme matière cellulosique.

Le produit séché contient 60% en matière sèche de biomasse microbienne et 40% en matière sèche de matière cellulosique n'ayant pas fermenté et on détermine par des essais classiques d'alimentation in vitro utilisant le suc de panse de bovin une digestibilité in vitro de 45% en matière sèche. A titre comparatif, la valeur pour le foin de qualité normale pour fourrage est d'environ 50% en matière sèche.

Exemple 3
On répète l'expérience de 11 exemple 1, aauf qu'on utilise la solution B au lieu de la sslutioir. A comme solution nutritive d'éléments d'appoint.

Après une durée de croissance de 20 heures et après séchage de la matière solide sépar & , la teneur en biomasse microbienne du produit séché est de 498/o en matière sèche, le complément étant de la matière cellulosique non fermentée mélangée.

Dans des essais classiques d'alimentation in vivo chez les rats, le produit est comparable à la caséine jusqu'au remplacement do 20% en matière sèche des protéines dans les aliments témoins.

Exemple 4
On répète l'expérience de l'exemple 1 sauf que l'on utilise comme matière cellulosique un échantillon de papier de journal haché en bandes de 2 cm.

Après une durée de croissance de 20 heures et sechage des solides sépares, on trouve que le produit a une teneur en biomasse microbienne de 20% en matière sèche.

Exemple 5
On répète l'expérience de l'exemple 1 sauf que la matière cellulosique utilisée est un échantillon de résidu de marc de café à une dimension de 1 mm.

Après une durée de croissance de 15 heures, on trouve que la teneur du produit séché en biomasse microbienne est de 38% en matière sèche.

Exemple 6
On répète l'expérience de l'exemple 4, sauf que la matière cellulosique utilisée est un échantillon de moelle de bagasse de canne à sucre broyée pour passer au tamis de 1 mm.

Après une durée de croissance de 12 heures on trouve que le produit a une teneur en biomasse microbienne de 167ex
Exemple 7
On répète l'expérience de l'exemple 1, sauf que la matière cellulosique est remplacee par un echantillon de restes de pommes de terre"Irlandaises" (y compris la peau) mélangé dans le milieu de fermentation.

Après une durée de croissance de 24 heures, on trouve que le produit a une teneur en biomasse microbienne de 99,8X en matière sèche.

Exemple 8
(a) On effectue une serie d'expériences de fermentation en utilisant trois organismes differents, à savoir Chaetomium cellulolsticum (OrganismeA), Trichoderma virile (organisme B) et
Phanerochaete chrysosporium (organisme C). Ces deux derniers organismes sont choisis car ils sont censés être les plus efficaces pour convertir les matières solides cellulosiques en protéine microbienne.

Dans les experiences, on utilise comme matière cellulosique une boue de clarificateur de broyeur à pâte Kraft d'une dimension moyenne de particules d'environ 1 mm et on utilise la solution A pour fournir les éléments nutritifs non carbonés. On inocule trois lots de milieu de fermentation avec l'organisme et on fait fermenter en utilisant des techniques classiques en flacon agité 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 formation de protéine de la biomasse microbienne. Les résultats obtenus sont indiqués dans le tablau I ci-dessus.

EBLE:AU I
Organisme Rendement en protéines par Production maximale de pro
rapport à l'organisme A (%) téines par rapport à l'or ~~~~~~~~~ ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ganisme A (%)
A 100 100
B 55 51
C 46 19
Les résultats du tableau I ci-dessus montrent que
Chaetomium cellulolyticum est notablement plus efficace que les deux autres orgariismes, à la fois en ce qui concerne le rendement en protéines et la production maximale de protéines.

(b) On effectue une autre série d'expériences dans lesquelles on ajoute 0,1% en poids par volume d'extrait de levure à la solution A et on utilise les conditions suivantes de température et de pH pour les divers organismes
Organisme A -37 C:, pH 5
Organisme B - 300C, pll 5
Organisme C - 37 C, pll 4,5
Les trois organismes poussent selon les phases de croissance exponentielle et stationnaire habituelles et les résultats concernant les rendements et les degrés de production de protéines de la biomasse microbienne sont donnés dans le tableau II ci-dessous.

TABLEAU II
Organisme Rendement en protéines par Production maximale de pro
rapport à l'organisme A (%) téines par rapport à l'or- ~~~~~~~~~ ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Organisme A (%)
A 100 100
B 31 88
C 26 53
Les résultats du tableau II montrent que meme en présence d'un additif coûteux au milieu qui fournit soi-disant les meilleures conditions de culture pour les organismes B et C,
Chaetomium cellulolvticum est sensiblement supérieur par le rendement et le degré de production de proteines.

En résume, la présente invention propose donc un procédé pour convertir certaines matières cellulosiques en produits qui contiennent une biomasse microbienne fongique, interessants cpome aliments pour l'alimentation humaine ou animale.

I1 est entendu que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation préférés décrits ci-dessus 9 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 (9)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour augmenter la teneur en protéines d'une pate cellulosique industrielle contenant au moins 10% de cellulose, en matière sèche, caractérisé en ce que (a) on fait fermenter par voie aérobie un milieu stérile de la matière cellulosique sous forme particulaire et d'une solution d'éléments nutritifs d'appoint non carbonés dans une culture de Chaetomium cellulolvticum à un pH d'environ 5 à 7 et à une température d'environ 30 à 45cC pendant une durée suffisante pour faire pousser le champignon et fournir une masse solide consistant en au moins environ 5% du champignon, en matière sèche, et le reste de matière cellulosique non fermentée, et (b) on sépare la masse solide resultante du milieu de fermentation.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pâte cellulosique industrielle est un produit cellulosique dérivé du bois qui est une pâte de bois ou du papier.

3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la pâte cellulosique industrielle est une cellulose amidonnde qui consiste en banane, pomme de terre, igname ou cassave.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pate cellulosique industrielle est une boue de clarification de broyeur à pàtes2du marc de café ou de la moelle de bagasse.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on prépare le mélange stérile en mélangeant la pate cellulosique industrielle et la solution d'élé- ments nutritifs non carbonés pour donner un milieu de fermentation et on stérilise le milieu de fermentation.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la solution d'éléments nutritifs non carbonés est un mélange synthétique de substances chimiques contenant des éléments nutritifs de fermentation.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la solution d'éléments nutritifs non carbonés est formée par digestion anaérobie de fumier animal.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le fumier animal est du fumier de porc.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pate cellulosique industrielle est sous forme de granules jusqu'a une dimension d'environ 5 mm.