Procédé de liquéfaction de betteraves et de racines de chicorée par hydrolyse enzymatique et hydrolysat liquide obtenu

L'invention concerne un procédé de liquéfaction de betteraves et de racines de chicorée par voie enzymati­que et l'hydrolysat liquide obtenu.

Le mode habituel de traitement des betteraves à sucre consiste à les découper en fines lanières (cos­settes et à extraire le saccharose de celles-ci par diffu­sion. On obtient ainsi un jus sucré qui peut servir à la production de sucre pour l'alimentation. On peut aussi faire subir à ce jus sucré une fermentation alcoolique pour produire de l'alcool éthylique. Après l'extraction par diffusion, il reste une pulpe qui peut servir, après séchage, à l'alimentation du bétail.

La présente invention a pour objet un nouveau procédé visant à convertir directement les betteraves par voie enzymatique en un hydrolysat liquide, sans avoir recours à une extraction par diffusion, et sans nécessité d'un ajout d'eau avant ou pendant le traitement.

Par ailleurs, il a été trouvé que le procédé de l'invention pouvait être apliqué également aux racines de chicorée.

Plus précisément, l'invention concerne un procédé de liquéfaction de betteraves ou de racines de chicorée comprenant les étapes suivantes :

• a) broyer grossièrement des betteraves ou des racines de chicorée préalablement lavées de façon à les réduire en petits morceaux ;
• b) ajouter et mélanger aux betteraves ou aux racines de chicorée, pendant ou après leur broyage, une proportion efficace d'un mélange d'enzymes comprenant au moins une SPS-ase, une cellulase et une cellobiase, et un acide de façon à régler le pH du produit broyé dans la gamme de 3 à 5,5 environ ;
• c) laisser le mélange d'enzymes effectuer une préhydro­lyse du produit broyé pendant 1 à 6 heures environ,
• d) pendant ou après l'étape c), broyer finement le pro­duit à l'état de bouillie ;
• e) poursuivre l'hydrolyse du produit broyé à l'état de bouillie par le mélange d'enzymes pendant 20 à 120 heures environ ; et
• f) récupérer le produit hydrolysé liquide résultant.

Le procédé de l'invention est applicable tant aux betteraves à sucre qu'aux betteraves fourragères et aux hydrides de ces types de betteraves.

Le broyage grossier a) des betteraves ou des raci­nes de chicorée peut s'effectuer sans addition d'eau dans tout type de broyeur-malaxeur approprié, par exemple du type à hélice rotative. Dans cette étape les betteraves ou les racines de chicorée sont broyées en petits morceaux d'une grosseur de l'ordre de 1cm environ.

L'acide ajouté dans l'étape b) peut être un acide minéral ou organique. L'acide sulfurique convient parti­culièrement bien. On ajoute l'acide de façon que le pH soit dans la gamme de 3-5,5, de préférence 3,5-5. Le mé­lange d'enzymes utilisé tant pour effectuer la préhydrolyse c) que l'hydrolyse e) doit comprendre au moins une SPS-ase, une cellulase et une cellobiase.

Il est souvent nécessaire d'ajouter un agent bac­tériostatique n'affectant pas l'action des enzymes dans l'étape b). Un exemple d'agent bactériostatique utilisable est le formol à raison d'environ 0,5 à 2 litres par tonne de betteraves ou de racines de chicorée (0,05 à 0,2%), de préférence à raison d'environ 1 litre par tonne (0,1%). Cet agent sert à éviter les proliférations microbiennes. Des agents bactériostatiques autres que le formol pour­raient bien sûr être utilisés, mais le formol présente l'avantage d'être bon marché et facilement disponible.

La SPS-ase et sa préparation sont décrites en détail dans FR-A-2 518 570 au nom de NOVO INDUSTRI A/S. Cette enzyme est ordinairement obtenue à partir de mi­croorganismes du genre Aspergillus.

Une composition d'enzymes contenant de la SPS-ase, de la cellulase et de la cellobiase, est commercialisée par la Société danoise NOVO INDUSTRI A/S sous la désigna­tion "SP 249" et présente les activités enzymatiques sui­vantes, décrites selon la nomenclature internationale.

Pectinases :

Pectinestérase - EC 3.1.1.11

Polygalacturonase - EC 3.2.1.15

Exopolygalacturonase - EC 3.2.1.67

Pectinelyase (transeliminase) - EC 4.2.2.2.

Cellulases :

Endo 1,4 bêta-glucanase - EC 3.2.1.4

Hemicellulases :

Alpha-glucosidase - EC 3.2.1.20

Bêta-glucosidase - EC 3.2.1.21

Alpha-galactosidase - EC 3.2.1.22

Bêta-galactosidase - EC 3.2.1.23

Bêta-mannosidase - EC 3.2.1.25

Alpha-L arabinofuranosidase - EC 3.2.1.55

Endo 1,4 bêta-mannanase - EC 3.2.1.78

Le "SP 249" est un liquide brun dont les spécifi­cations principales sont les suivantes :

polygalacturonase (EC 3.2.1.15) 9640 PGU/g

pectinase 2152 KPU/g

SPS-ase 29 SPSU/g

cellulase (EC 3.2.1.4.) 673 A-NCU/g

β-glucanase fongique (EC 3.2.1.4)84 FBGUg

hemicellulase (EC 3.2.1.78) 225 KVHCU/g

Comme les activités de cellulase et de cellobiase de la SP 249 sont assez faibles, on peut les renforcer par addition d'enzymes cellulase et cellobiase supplémen­taires. Une telle addition est nécessaire dans le cas du traitement des betteraves et seulement optionnelle dans le cas du traitement de racines de chicorée.

Comme cellulase, on peut, par exemple, utiliser celle produite par fermentation submergée d'une souche de Trichoderma reesei. Un exemple de cellulase de ce type est le produit Celluclast ® vendu par la Société danoise NOVO INDUSTRI A/S. Le Celluclast ® présente une activité cellulase de 1500 ANCU/g et possède également des exo-­activités cellobiohydrolase (EC 3.2.1.91) et exo-bêta-­1,4D-glucosidase (EC 3.2.1.74) et l'endo-activité endo-­bêta-1,4D-glucanase (EC 3.2.1.4). Une autre cellulase du commerce utile est la "SP-300" également de NOVO INDUSTRI A/S.

Comme cellobiase, on peut, par exemple, utiliser celle produite par fermentation submergée d'une souche d'Aspergillus niger. Un exemple de cellobiase de ce type est le produit "Novozym 188" vendu par la Société danoise NOVA INDUSTRI A/S, qui présente une activité cellobiase de 250 CBU/g.

Ces enzymes peuvent être utilisées en proportions relatives variées. A titre indicatif, on peut utiliser 50-75% de SP 249, 5-50% de Celluclast et 5-50% de Novozym 188, ces proportions étant en poids par rapport au poids total d'enzymes. D'autres enzymes telles que des pectina­ses, des glucanases, des galactomannases, des protéases, etc... peuvent être présentes dans le mélange d'enzymes précité, si désiré.

La proportion d'enzymes par rapport aux betteraves ou aux racines de chicorée peut elle aussi varier large­ment. En termes d'unités d'activité par kg de matières sèches contenues dans les betteraves ou racines de chico­rée, les enzymes pourront être utilisées dans les gammes suivantes :

Les enzymes optionnelles pourront, de leur côté, être présentes dans les gammes d'activité suivantes :

Lorsqu'on utilise les mélanges des produits du commerce SP 249, Celluclast et Novozym 188, ces gammes correspondent sensiblement à 0,5 à 5 kg de mélange par tonne de betteraves ou racines de chicorée.

Il y a lieu de noter que les unités d'activité des enzymes indiquées correspondent aux unités déterminées par les méthodes mises au point par la Société NOVO INDUSTRI A/S, lesquelles sont disponsibles auprès de cette Société sur demande.

Pour une activité optimale des enzymes, la tempé­rature au cours des étapes de préhydrolyse et d'hydrolyse sera comprise entre 35 et 60°C. De préférence, la tempéra­ture sera comprise entre 35 et 55°C pendant la préhydrolyse c) et entre 45 et 55°C pendant l'hydrolyse e).

La durée de l'étape de préhydrolyse c) peut aller de 1 à 6 heures, de préférence 1 à 3 heures, et celle de l'hydrolyse e) peut aller de 20 à 120 heures de préfé­rence de 24 à 72 heures.

L'étape d) de broyage fin à l'état de bouillie, peut se mettre en oeuvre dans tous appareils exerçant un effet de cisaillement important. Un exemple d'appareil qui s'est révélé particulièrement bien convenir est un dépas­tilleur du genre de ceux utilisés par l'industrie de la pâte à papier. Dans cette étape les morceaux de betteraves sont réduits à une grosseur de l'ordre de 0,1 mm environ ou moins.

Le procédé qui vient d'être décrit constitue le procédé de base de l'invention.

Ce procédé peut être amélioré en le combinant avec un ou plusieurs des perfectionnements à caractère facultatif suivants :

Un premier perfectionnement consiste à effectuer avant ou pendant l'étape de broyage grossier (a), un trai­tement thermique des betteraves ou des racines de chicorée consistant à les chauffer à une température de 70 à 90°C pendant quelques minutes à l'heure environ, par exemple à l'aide de vapeur d'eau. Ce traitement thermique a plu­sieurs effets avantageux :

- il facilite la mise en morceaux des betteraves ou des racines de chicorée dans l'étape (a), - il permet de réduire la quantité d'agent bactériostatique à utiliser, voire de le supprimer.

- il permet d'éliminer ou réduire fortement le moussage qui peut se produire dans l'étape (a),

- il permet de limiter considérablement le brunis­sement des morceaux de betteraves et d'obtenir des sirops d'hydrolysat de betteraves très peu colorés, alors que les produits obtenus sans traitement thermique sont brun foncé à noir,

- pour une dose d'enzymes donnée, il améliore les caractéristiques de l'hydrolysat (viscosité plus faible et taux de conversion plus élevé) ou bien permet d'employer une dose d'enzymes plus faible pour obtenir une viscosité et un taux de conversion donnés pour l'hydrolysat.

Un deuxième perfectionnement consiste à opérer après l'étape d'hydrolyse (e) une post-hydrolyse effectuée à une température égale plus élevée que l'étape d'hydrolyse proprement dite, de préférence dans la gamme de 55 et 75°C. Cette post-hydrolyse sera également conduite habi­tuellement à un pH plus bas que l'hydrolyse, dans le cas où on n'ajoute pas d'enzymes additionnels comme défini ci-­après à propos du troisième perfectionnement, tout en ne descendant pas au dessous d'un pH de 3. Par exemple, si l'hydrolyse (e) est conduite à pH 4, la post-hydrolyse pourra être conduite à pH 3. Dans le cas où on ajoute des enzymes additionnels, le pH sera ajusté en fonction du pH optimal pour l'activité enzymatique. La durée de cette post-hydrolyse peut aller de quelques minutes à 10 heures environ.

L'utilisation d'une étape de post-hydrolyse permet d'améliorer la conversion en glucose et fructose au détri­ment des polyosides d'un degré de polymérisation de 2 (saccharose) et plus.

Un troisième perfectionnement consiste à utiliser, en plus du mélange d'enzymes défini, une invertase ou une inulinase ou, de préférence, un mélange de ces deux enzymes. L'addition de l'enzyme ou mélange d'enzymes peut se faire à raison de 100 à 10000 INU/kg de matières sè­ches. Cette addition peut se faire simultanément à celle des autres enzymes ou postérieurement, par exemple pendant l'étape d'hydrolyse ou de post-hydrolyse. Un mélange d'enzymes invertase/inulinase fongique qui convient parti­culièrement bien est celui commercialisé sous la désigna­tion commerciale "Novozym 230" par la Société NOVO INDUSTRI A/S, ou une invertase de levure.

L'utilisation de cet ou ces enzymes additionnels permet, comme le deuxième perfectionnement ci-dessus, d'améliorer la conversion en glucose et fructose au détri­ment des polyosides d'un degré de polymérisation de 2 (saccharose) et plus.

L'invention concerne également, à titre de produit nouveau, un produit aqueux liquide obtenu directement par hydrolyse enzymatique de betteraves ou de racines de chicorée, caractérisé en ce qu'il contient, comme prin­cipaux ingrédients, du glucose, du fructose, des polyosides ayant des degrés de polymérisation de 2 et 3, et des com­posés azotés, ce produit ayant un pH acide, une viscosité non supérieure à 300 mPa.s, et une teneur en matières solides en suspension n'excédant pas 2% en poids.

Elle concerne, en particulier un tel produit aqueux liquide ayant un pH de 4 à 5 et une viscosité non supé­rieure à 150 mPa.s.

Elle concerne également les produits aqueux obtenus par concentration et éventuellement clarification dudit produit aqueux liquide.

Par exemple, en partant de betteraves sucrières ayant la composition typique suivante :

CONSTITUANTS KG/T

SACCHAROSE 160

NON SUCRE SOLUBLES (1) 20

INSOLUBLES (2) 50

dont CELLULOSE 10

MATIERES MINERALES 8

EAU 770

(1) matière organique et minérale soluble autre que le saccharose

(2) matière organique et minérale insoluble

On peut obtenir un produit hydrolysé liquide ayant typiquement les caractéristiques suivantes :

pH 4-4,5

DENSITE 1,09

VISCOSITE (mPa.s) 50-150

MATIERE EN SUSPENSION 0,8-1,5

(% p/p)

MATIERES SECHES

REFRACTOMETRIQUES 20-22g/100g de solution

MATIERE SECHE TOTALE (%) 24-25

SUCRES TOTAUX (exprimés en équivalent glucose) : 160-200g/l

Ce produit peut être clarifié pour éliminer les matières insolubles en suspension, par exemple par filtra­tion ou même par centrifugation, et/ou concentré, par exemple à l'aide d'un évaporateur rotatif. On donne ci-­après, à titre indicatif, les caractéristiques d'hydroly­sats clarifiés, clarifiés concentrés, et concentrés, obte­nus à partir de l'hydrolysat de betteraves sucrières ci-­ dessus.

* HYDROLYSAT CLARIFIE

DENSITE 1,09

VISCOSITE (mPa.s) 5-10

MATIERES SECHES REFRACTOMETRIQUES 20-22g/100g de solution

COMPOSITION EN SUCRES IDENTIQUE A CELLE DE L'HYDROLYSAT BRUT

* HYDROLYSAT CLARIFIE CONCENTRE

DENSITE 1,3

VISCOSITE (mPa.s à 20°C) 90

MATIERES SECHES REFRACTOMETRIQUES 63-67g/100g de solution

COMPOSITION RELATIVE EN SUCRES IDENTIQUE A CELLE DE L'HYDROLYSAT CLARIFIE

*HYDROLYSAT BRUT CONCENTRE

DENSITE 1,35

VISCOSITE (Pa.s à 20°C) 18-20

MATIERES SECHES REFRACTOMETRIQUES 50-60g/100g de solution

ACTIVITE DE L'EAU 0,78-0,82

COMPOSITION EN SUCRES IDENTIQUE A CELLE DE L'HYDROLYSAT BRUT

Les hydrolysats de l'invention qu'ils soient bruts et/ou clarifiés et/ou concentrés, sont des produits utiles, notamment pour la production d'alcool éthylique par fer­mentation alcoolique classique à l'aide de levures. On peut obtenir de l'alcool avec des rendements améliorés (3 à 12 points de pourcentage en plus) par rapport à la technique classique. Il faut veiller, toutefois, à ce que l'activité rémanente de l'agent bactériostatique ne gêne pas le développement des levures ou leur activité fermentaire.

Les exemples non limitatifs suivants sont donnés afin d'illustrer l'invention.

Exemples 1 à 8

Ces exemples ont été conduits en utilisant l'appa­reillage-pilote représenté schématiquement sur la figure unique.

Cet appareillage comprend un broyeur-malaxeur 1 du type à hélice rotative ouvert à sa partie supérieure pour l'introduction des betteraves et des divers ingré­dients à incorporer (acide, bactériostatique, enzymes), et relié à sa partie inférieure, par un conduit 2 muni d'une vanne 3, à une pompe 4. Cette pompe 4 est elle-même reliée à un dépastilleur 5 par un conduit 6 muni d'une vanne 7. Le conduit 6 est connecté à sa partie médiane à un conduit 8 retournant au sommet du broyeur 1. A la sortie du dépastilleur 5 est prévu un conduit 9 raccordé au conduit 8. Entre le point de raccordement des conduits 8 et 9 et le conduit 6 est prévue, sur le conduit 8, une vanne 10, tandis qu'une vanne 11 est disposée sur le con­duit 8 juste avant le sommet du broyeur 1. En amont de la vanne 11, le conduit 8 se raccorde à un conduit 12 aboutissant au réacteur 13 à pales agitatrices 14, une vanne 15 étant prévue sur le conduit 12. Une conduite de sortie 16 est prévue à la base du réacteur 13 et com­mandée par une vanne 17. Une chemise 18 à circulation d'eau est prévue autour du réacteur pour régler la tempé­rature du réacteur, de l'eau froide ou de l'eau chaude pouvant y être admise, selon que l'on désire refroidir ou réchauffer le réacteur.

Le fonctionnement de cet appareillage est le sui­vant :

Le broyeur 1 étant en marche, on y introduit les betteraves, l'acide, l'agent bactériostatique et le mélange d'enzymes.

Lorsque la réduction de la grosseur des morceaux de betteraves et le degré d'avancement de la préhydrolyse sont suffisamment avancés pour rendre le mélange pompable, on ouvre la vanne 3 et on met en marche la pompe 4 et le dépastilleur 5, les vannes 7 et 11 étant ouvertes et les vannes 10 et 15 fermées, de façon à faire passer les morceaux de betteraves dans le dépastilleur 5 et à les recycler au broyeur 1. Dans cette opération les morceaux de betteraves voient leur grosseur fortement réduite, par exemple à une grosseur de l'ordre de 0,1 mm environ ou moins. A la fin de cette opération, on ferme les vannes 7 et 11 et on ouvre les vannes 10 et 15, de façon à envoyer les betteraves broyées à l'état de pulpe ou suspension et préhydrolysées, au réacteur 14 où on les laisse le temps nécessaire pour achever l'hydrolyse. Enfin, les betteraves liquéfiées et hydrolysées sont évacuées du réacteur par la sortie 16, après ouverture de la vanne 17.

L'efficacité de l'hydrolyse est mesurée dans ces essais par le taux de conversion (ou taux de liquéfaction) X des matières normalement insolubles des betteraves : où So est la concentration initiale des betteraves en matières insolubles et St est la concentration en matières insolubles au temps t.

Dans tous les essais, des betteraves à sucre ont été broyées dans un broyeur-malaxeur à hélice de marque LAMORT, d'un type utilisé dans l'industrie de la pâte à papier (pulpeur) en présence des additifs acide sulfuri­que (agent de réglage du pH), formol (agent bactériostati­que) et mélange d'enzymes. Les betteraves ont été traitées dans le broyeur-malaxeur pendant environ 1 heure en faisant fonctionner ce dernier de façon intermittente de façon à ne pas dépasser environ 50°C, et soumises à trois passes successives dans le dépastilleur, également de marque LAMORT et d'un type utilisé dans l'industrie de la pâte à papier (affineur) avec recyclage au broyeur de façon que la durée de préhydrolyse dans le broyeur, soit d'envi­ron 2-3 heures. Ensuite, le produit broyé préhydrolisé a été transféré au réacteur pour compléter l'hydrolyse. La proportion de formol était de 0,1% en poids par rapport au poids de betteraves. Le Ph et la proportion d'enzymes étaient tels qu'indiqués dans le Tableau récapitulatif suivant qui résume les conditions opératoires du traitement et le résultat des essais.

EXEMPLE 9

Cet exemple illustre l'emploi facultatif d'un traitement thermique.

20 kg de betteraves sucrières entières sont pla­cées dans un récipient muni d'un dispositif d'alimentation en vapeur. On laisse pénétrer la vapeur dans le récipient ; la température, à coeur, de la betterave croît de 3°C (initialement) à 75°C en 1h 30 environ.

Les betteraves ainsi traitées sont ensuite chargées dans un pulpeur LAMORT 201 et refroidies en cours de pul­page jusqu'à 45°C, le pH est ajusté à 5 avec de l'acide sulfurique et on ajoute du formol (1 litre/t) et un mélan­ge d'enzymes constitué, en poids, de 50% de SP 311, 20% de Celluclast et 30% de Novozym 188 à la dose de 11/t. La SP 311 est une préparation brute de SPS-ase commercialisée par NOVO INDUSTRI A/S. On effectue la préhydrolyse pendant 3h 30 environ, temps au bout duquel la viscosité a décru jusqu'à 1100 mPa.s. Le produit est ensuite raffiné par deux passages consécutifs dans un raffineur de labora­toire (Megatron MT) 48/2). L'hydrolyse est poursuivie ensuite dans un réacteur agité à pH = 4 et T = 55°C.

Après 24 heures d'hydrolyse la viscosité n'est plus que de 28 mPa.s et le taux de conversion des inso­lubles est de 78%. Après 48 heures la viscosité est très largement inférieure à 30 mPa.s (limite de mesure de l'instrument) et le taux de conversion atteint 89%.

EXEMPLES 10 et 11 et EXEMPLE-TEMOIN A

Ces exemples illustrent respectivement l'emploi d'une étape de post-hydrolyse et l'addition d'un mélange d'enzymes invertase/inulinase (Novozym 230) au mélange d'enzymes de base.

Le tableau suivant récapitule les conditions opé­ratoires et les résultats obtenus :

On voit d'après ces résultats que la mise en oeu­vre d'un traitement de post-hydrolyse ou l'addition d'invertase/inulinase améliore fortement les taux de con­version en glucose et fructose.

EXEMPLES 12 et 13

Ces exemples illustrent le traitement de racines de chico­rée par le procédé de l'invention. Dans chacun de ces exemples on a traité 10 kg environ de racines de chicorée préalablement lavées.

Les conditions opératoires utilisées et les résul­tats obtenus sont résumés ci-dessous :