La production d'acétone et de butanol par fermentation

Résumé du document

Cette unité de valeur « Calcul d'une opération industrielle » prend tout son sens en étant positionnée en fin de cursus de notre formation d'ingénieur Génie des Procédés. L'objectif de ce projet est de dimensionner de manière globale un procédé en vue d'une réalisation industrielle. Ce projet englobe la majorité des enseignements que nous avons reçus, et nous permet de voir de façon concrète l'utilité de tous les calculs de procédés que nous avons pu faire jusque-là.

Notre choix s'est porté sur un sujet qui possède une dimension environnementale assez forte. En effet, la préservation de l'environnement et des ressources de la planète est une préoccupation très importante de nos jours, le développement de ce type de procédé permet d'accroître les sources d'énergies alternatives. D'autre part, ce projet nous a donné l'occasion d'enrichir nos connaissances sur les procédés de type fermentaires, que nous n'avions que très brièvement abordés dans notre cursus et qui font partie intégrante du génie des procédés.

Les dimensions premières de notre sujet sont environnementales et économiques. En effet, ce procédé a le potentiel de convertir la biomasse en produits à usage chimique ou énergétique tels que les biocarburants, constituant par là une alternative attrayante à la pétrochimie dans les conditions économiques appropriées (ressources agricoles abondantes, difficultés d'approvisionnement en pétrole, etc.). Si d'une façon générale, la compétitivité économique de la biomasse pour la production de carburants ne peut être encore envisagée, l'intérêt technique des produits des fermentations solvantogènes a bien été démontré.

Pour ces raisons, une activité de recherche soutenue est mise en place pour l'amélioration de la fermentation. Nous nous proposons donc dans cette étude, de collecter les informations nécessaires à la production annuelle de 50 000 tonnes d'acétone-butanol-éthanol par an (en supposant une durée de fonctionnement effective de 330 jours par an), de dimensionner le site de production adéquat et d'en faire une brève évaluation économique.

La production d'acétone et du butanol par fermentation est un procédé plutôt ancien. C'est Fernbach qui met au point en 1910 un premier procédé de production de butanol par voie fermentaire et découvre, à cette occasion, la formation concomitante d'acétone par les bactéries et spécialement du type Clostridium acetobutylicum. Cette fermentation va rapidement se développer au cours de la Première Guerre mondiale, suite à la demande très forte en acétone qui intervenait dans la fabrication d'un explosif, la cordite.

À la demande du gouvernement anglais, Weizmann (qui fut par la suite le premier président de l'État d'Israël) réussit la mise en place de la première production à l'échelle industrielle. Par la suite, cette production d'acétone et de butanol par voie fermentaire connait une extension importante, notamment en France, au Japon et aux États-Unis. A titre d'exemple, l'usine de Peoria dans l'Illinois, au plus fort de sa production dans les années 1930, avait une capacité installée de 96 fermenteurs de plus de 200 m3 chacun.

Au début des années 1960, la voie fermentaire a été presque totalement délaissée pour la pétrochimie. Seuls quelques pays tels que la Chine et l'Afrique du Sud ont continué d'employer la fermentation acétonobutylique à l'orée des années 1960. Un regain d'intérêt est apparu dans les années 1980, du fait du potentiel de ce type de fermentation à convertir l'ensemble des sucres constitutifs de la cellulose et des hémicelluloses contenus dans la biomasse lignocellulosique en produits à usages énergétiques tels que les biocarburants.

La problématique initiale de notre sujet était la production d'acétone-butanol. A l'heure actuelle, la seule technologie permettant de produire conjointement ces deux produits est la fermentation.

Extraits

[...] Lors de cette phase, la vitesse de consommation du glucose suit une loi de type Michaelien par rapport à la concentration de glucose. Elle peut être décrite par l'équation suivante : avec : : vitesse maximale de consommation des sucres par les bactéries en phase acide : concentration du glucose : constante expérimentale : constante d'inhibition : concentration totale d'acides non dissociés Notons que les constantes permettant l'exploitation de cette équation sont obtenues expérimentalement. Elles ne sont pas disponibles dans la littérature. [...]

[...] Le butanol est largement employé comme solvant pour peintures, vernis, résines naturelles ou synthétiques ainsi que pour l'extraction et la purification de certains produits (huiles végétales, gommes, cires, parfums, alcaloïdes, antibiotiques). Il sert également comme intermédiaire de synthèse organique notamment pour la fabrication d'esters butyliques. Le stockage peut s'effectuer dans des récipients en acier inoxydable. Certains matériaux sont déconseillés : aluminium et alliages, certaines matières plastiques. Pour éviter la formation de peroxydes et l'absorption d'eau, le stockage devra s'effectuer sous atmosphère inerte et sèche. [...]

[...] Les fermenteurs de liquéfaction mesurent 2,25 m de haut pour un diamètre de 4,5 m. IV Le filtre tambour En sortie des fermenteurs de saccharification, nous avons décidé d'installer un filtre tambour afin de séparer le glucose et la mouture restante. Le liquide est filtré à travers la périphérie du tambour à rotation intermittente. Les particules sont séparées du liquide par la structure de la membrane filtrante. La matière solide est alors rincée du tamis et recueillie dans la dalle de collection des résidus avant d'être évacuée. [...]

[...] Compte tenu de nos calculs, nous comptons un investissement global de 45 millions d'euros. Cela représente un investissement conséquent, d'autant plus que les membranes doivent être changées en moyenne tous les 5 ans Formation d'acétone et de butanol par fermentation V Colonne à distiller Pour estimer le coût de nos colonnes à distiller, nous avons utilisé la méthode décrite dans le cours. Les détails du calcul se trouvent dans le tableau 17. Ainsi, en appliquant les différents facteurs, on arrive à un investissement de 300 000€. [...]

[...] Cette installation fonctionne à partir d'amidon de maïs. Enfin, nous nous sommes intéressés au traitement des gaz effluents. L'hydrogène et le dioxyde de carbone subissent une séparation physique. L'hydrogène est brûlé et fournit ainsi de l'énergie pour les installations. Le dioxyde de carbone, quant à lui, est liquéfié pour ensuite être revendu Formation d'acétone et de butanol par fermentation Références Bibliographiques ADEME (www.ademe.fr, pervaporation) A.H. Mollah and D.C. Stuckey, Feasibility of in-situ gas stripping for continuous acetonebutanol fermentation by Clostridium acetobutylicum. [...]