Fermentation assistée par ultrasons pour la production de bioéthanol

La fermentation assistée par ultrasons peut améliorer la production de bioéthanol en favorisant la dégradation des glucides complexes en sucres plus simples, que les levures peuvent ainsi convertir plus facilement en éthanol. Parallèlement, la sonication améliore également la perméabilité de la paroi cellulaire des levures, permettant une libération plus rapide de l’éthanol et une augmentation de la production globale. La fermentation du bioéthanol assistée par ultrasons permet ainsi d’obtenir des taux de conversion plus élevés et de meilleurs rendements.

Fermentation

La fermentation peut être un processus aérobie (= fermentation oxydative) ou anaérobie, utilisé dans des applications biotechnologiques pour transformer des matières organiques à l’aide de cultures de cellules bactériennes, fongiques ou d’autres cellules biologiques, ou à l’aide d’enzymes. La fermentation permet d’extraire de l’énergie de l’oxydation de composés organiques, par exemple des glucides.
Le sucre est le substrat de fermentation le plus courant, donnant après fermentation des produits tels que l’acide lactique, le lactose, l’éthanol et l’hydrogène. Lors de la fermentation alcoolique, l’éthanol – destiné notamment à être utilisé comme carburant, mais aussi dans les boissons alcoolisées – est produit par fermentation. Lorsque certaines souches de levures, telles que Saccharomyces cerevisiae métabolisent le sucre, les cellules de levure convertissent la matière de départ en éthanol et en dioxyde de carbone.

Les équations chimiques ci-dessous résument la conversion :

Si la matière de départ est de l’amidon, provenant par exemple du maïs, celui-ci doit d’abord être converti en sucre. Pour le bioéthanol utilisé comme carburant, une hydrolyse est nécessaire pour convertir l’amidon. En général, l’hydrolyse est accélérée par un traitement acide ou enzymatique, ou par une combinaison des deux. Normalement, la fermentation est réalisée à environ 35–40 °C.
Aperçu de différents procédés de fermentation :

Alimentation :

• production & conservation
• produits laitiers (fermentation lactique), par exemple yaourt, babeurre, kéfir
• légumes lactofermentés, par exemple kimchi, miso, natto, tsukemono, choucroute
• développement de composés aromatiques, par exemple dans la sauce soja
• dégradation des agents tannants, par exemple dans le thé, le cacao, le café et le tabac
• boissons alcoolisées, par exemple bière, vin, whisky

Médicaments :

• production de composés à usage médical, par exemple insuline, acide hyaluronique

Biogaz/ Éthanol :

• amélioration de la production de biogaz/ bioéthanol

Divers articles de recherche et essais à l’échelle de laboratoire et à l’échelle pilote ont montré que les ultrasons améliorent le procédé de fermentation en rendant davantage de biomasse disponible pour la fermentation enzymatique. La section suivante présente en détail les effets des ultrasons dans un liquide.

Effets du traitement des liquides par ultrasons

Les ultrasons de forte puissance/ basse fréquence permettent de générer des amplitudes élevées. Ils peuvent ainsi être utilisés pour le traitement des liquides, notamment le mélange, l’émulsification, la dispersion et la désagglomération, ou le broyage.
Lors de la sonication de liquides à forte intensité, les ondes sonores qui se propagent dans les milieux liquides produisent une alternance de cycles de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), à une cadence dépendant de la fréquence. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores de forte intensité créent de petites bulles de vide ou cavités dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume auquel elles ne peuvent plus absorber d’énergie, elles s’effondrent violemment pendant un cycle de haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. La cavitation, c’est-à-dire « la formation, la croissance et l’effondrement implosif de bulles dans un liquide. L’effondrement cavitationnel produit un échauffement local intense (~5000 K), des pressions élevées (~1000 atm) et des vitesses de chauffage et de refroidissement considérables (>109 K/sec) », ainsi que des jets de liquide (~400 km/h). (Suslick 1998)

Il existe différents moyens de créer de la cavitation, notamment les buses à haute pression, les mélangeurs rotor-stator ou les processeurs à ultrasons. Dans tous ces systèmes, l’énergie fournie est transformée en frottement, en turbulences, en ondes et en cavitation. La fraction de l’énergie fournie qui est transformée en cavitation dépend de plusieurs facteurs décrivant le mouvement de l’équipement générateur de cavitation dans le liquide. L’intensité de l’accélération est l’un des facteurs les plus importants qui influencent la transformation efficace de l’énergie en cavitation. Une accélération plus élevée crée des différences de pression plus importantes. Cela augmente à son tour la probabilité de créer des bulles de vide plutôt que des ondes se propageant dans le liquide. Ainsi, plus l’accélération est élevée, plus la fraction de l’énergie transformée en cavitation est importante.
Dans le cas d’un transducteur à ultrasons, l’amplitude d’oscillation décrit l’intensité de l’accélération. Des amplitudes plus élevées permettent de créer plus efficacement de la cavitation. Outre l’intensité, le liquide doit être accéléré de manière à minimiser les pertes dues aux turbulences, au frottement et à la génération d’ondes. Pour cela, un mouvement dans une seule direction constitue la solution optimale. En modifiant l’intensité et les paramètres du procédé de sonication, les ultrasons peuvent produire un traitement très intense ou très doux. Cela en fait un outil très polyvalent pour diverses applications.

Les applications douces, utilisant une sonication modérée dans des conditions douces, comprennent le dégazage, l’émulsification et l’activation des enzymes. Les applications intenses utilisant des ultrasons de forte intensité/ forte puissance (le plus souvent sous pression élevée) comprennent le broyage humide, la désagglomération et la réduction de la taille des particules, ainsi que la dispersion. Pour de nombreuses applications telles que l’ extraction, la désintégration ou la sonochimie, l’intensité ultrasonore requise dépend du matériau spécifique à soniquer. Grâce à la diversité des paramètres qui peuvent être adaptés à chaque procédé, les ultrasons permettent de trouver les conditions optimales pour chaque procédé.
Outre une excellente conversion de puissance, la sonication offre l’avantage majeur d’un contrôle complet des paramètres les plus importants : amplitude, pression, température, viscosité et concentration. Il est ainsi possible d’ajuster tous ces paramètres afin de trouver les paramètres de traitement idéaux pour chaque matériau spécifique. Cela permet d’obtenir une plus grande efficacité ainsi qu’un rendement énergétique optimisé.

Les ultrasons pour améliorer les procédés de fermentation, illustrés par l’exemple de la production de bioéthanol

Le bioéthanol est un produit de la décomposition de la biomasse ou de la matière biodégradable des déchets par des bactéries anaérobies ou aérobies. L’éthanol produit est principalement utilisé comme biocarburant. Le bioéthanol constitue ainsi une alternative renouvelable et respectueuse de l’environnement aux combustibles fossiles, tels que le gaz naturel.
Pour produire de l’éthanol à partir de biomasse, le sucre, l’amidon et les matières lignocellulosiques peuvent être utilisés comme matières premières. À l’échelle de la production industrielle, le sucre et l’amidon prédominent actuellement en raison de leur intérêt économique.
Des essais de faisabilité permettent de déterminer très simplement comment les ultrasons améliorent un procédé propre à un client, avec une matière première spécifique et dans des conditions données. Dans un premier temps, la sonication d’une petite quantité de suspension de matière première à l’aide d’un appareil de laboratoire à ultrasons montrera si les ultrasons ont un effet sur la matière première.

Essais de faisabilité

Lors de la première phase d’essais, il convient d’introduire une quantité relativement élevée d’énergie ultrasonore dans un petit volume de liquide, car cela augmente les chances de constater si des résultats peuvent être obtenus. Un petit volume d’échantillon réduit également le temps d’utilisation d’un appareil de laboratoire et diminue les coûts des premiers essais.
Les ondes ultrasonores sont transmises au liquide par la surface de la sonotrode. L’intensité ultrasonore est maximale juste sous la surface de la sonotrode. Il est donc préférable de maintenir une faible distance entre la sonotrode et le matériau soniqué. Lorsqu’un petit volume de liquide est exposé, la distance par rapport à la sonotrode peut rester faible.
Le tableau ci-dessous présente les niveaux typiques d’énergie/volume des procédés de sonication après optimisation. Comme les premiers essais ne seront pas réalisés dans une configuration optimale, une intensité et une durée de sonication de 10 à 50 fois les valeurs typiques permettront de déterminer si le matériau soniqué subit un effet ou non.

Procédé	Énergie/ Volume	Volume de l’échantillon	Puissance	Durée
Simple	< 100Ws/mL	10mL	50W	< 20 sec
Modéré	100Ws/mL à 500Ws/mL	10mL	50W	20 à 100 sec
Intense	> 500Ws/mL	10mL	50W	>100 sec

Tableau 1 – Valeurs typiques de sonication après optimisation du procédé

La puissance effectivement fournie lors des essais peut être enregistrée au moyen de l’enregistrement intégré des données (UP200Ht et UP200St), d’une interface PC ou d’un wattmètre. En combinaison avec les données enregistrées concernant le réglage de l’amplitude et la température, les résultats de chaque essai peuvent être évalués et une valeur de référence pour l’énergie/volume peut être établie.
Si une configuration optimale a été choisie pendant les essais, ses performances peuvent être vérifiées lors d’une étape d’optimisation, puis transposées à l’échelle commerciale. Pour faciliter l’optimisation, il est fortement recommandé d’examiner également les limites de la sonication, par exemple la température, l’amplitude ou l’énergie/volume pour des formulations spécifiques. Comme les ultrasons peuvent avoir des effets négatifs sur les cellules, les substances chimiques ou les particules, les niveaux critiques de chaque paramètre doivent être examinés afin de limiter l’optimisation ultérieure à la plage de paramètres dans laquelle ces effets négatifs ne sont pas observés. Pour l’étude de faisabilité, de petits appareils de laboratoire ou de paillasse sont recommandés afin de limiter les dépenses liées à l’équipement et aux échantillons lors de ces essais. En général, les appareils de 100 à 1 000 watts conviennent très bien aux objectifs de l’étude de faisabilité. (cf. Hielscher 2005)

Optimisation

Les résultats obtenus lors des études de faisabilité peuvent révéler une consommation d’énergie assez élevée au regard du petit volume traité. Toutefois, l’objectif de l’essai de faisabilité est avant tout de montrer les effets des ultrasons sur le matériau. Si des effets positifs ont été observés lors des essais de faisabilité, des efforts supplémentaires doivent être entrepris pour optimiser le rapport énergie/volume. Il s’agit d’explorer la configuration idéale des paramètres ultrasonores afin d’obtenir le rendement le plus élevé en utilisant le moins d’énergie possible, pour rendre le procédé aussi rationnel et efficace que possible sur le plan économique. Pour trouver la configuration optimale des paramètres – permettant d’obtenir les bénéfices recherchés avec un apport d’énergie minimal – les corrélations entre les paramètres les plus importants, à savoir l’amplitude, la pression, la température et la composition du liquide , doivent être étudiées. Lors de cette deuxième étape, il est recommandé de passer de la sonication par lots à une installation de sonication continue équipée d’un réacteur à cellule à circulation, car le paramètre important qu’est la pression ne peut pas être modifié lors de la sonication par lots. Pendant la sonication d’un lot, la pression est limitée à la pression ambiante. Si le procédé de sonication passe par une chambre de cellule à circulation pouvant être pressurisée, la pression peut être augmentée (ou réduite), ce qui affecte généralement de manière considérable la cavitation ultrasonore. L’utilisation d’une cellule à circulation permet de déterminer la corrélation entre la pression et l’efficacité du procédé. Les processeurs à ultrasons d’une puissance comprise entre 500 watts et 2000 watts sont les plus adaptés à l’optimisation d’un procédé.

Transposition à l’échelle de la production commerciale

Une fois la configuration optimale trouvée, la transposition à plus grande échelle est simple, car les procédés ultrasonores sont entièrement reproductibles selon une mise à l’échelle linéaire. Cela signifie que, lorsque les ultrasons sont appliqués à une formulation liquide identique avec une configuration identique des paramètres de traitement, la même énergie par volume est nécessaire pour obtenir un résultat identique, indépendamment de l’échelle du traitement. (Hielscher 2005). Il est ainsi possible d’appliquer la configuration optimale des paramètres ultrasonores à la production à pleine échelle. Le volume pouvant être traité par ultrasons est pratiquement illimité. Des systèmes à ultrasons commerciaux d’une puissance allant jusqu’à 16 000 watts par appareil sont disponibles et peuvent être installés en groupes. Ces groupes de processeurs à ultrasons peuvent être installés en parallèle ou en série. L’installation en groupes de processeurs à ultrasons de forte puissance rend la puissance totale presque illimitée, ce qui permet de traiter sans problème des flux de grand volume. Si une adaptation du système à ultrasons est nécessaire, par exemple pour ajuster les paramètres à une formulation liquide modifiée, il suffit généralement de remplacer la sonotrode, l’amplificateur mécanique ou la cellule à circulation. La possibilité de mise à l’échelle linéaire, la reproductibilité et l’adaptabilité des ultrasons rendent cette technologie innovante efficace et rentable.

Paramètres du traitement par ultrasons

Le traitement des liquides par ultrasons est décrit par plusieurs paramètres. Les plus importants sont l’amplitude, la pression, la température, la viscosité et la concentration. Pour une configuration donnée des paramètres, le résultat du procédé, tel que la taille des particules, est une fonction de l’énergie par volume traité. Cette fonction change lorsque les différents paramètres sont modifiés. En outre, la puissance effectivement délivrée par unité de surface de la sonotrode d’un appareil à ultrasons dépend des paramètres. La puissance délivrée par unité de surface de la sonotrode est l’intensité surfacique (I). L’intensité surfacique dépend notamment de l’amplitude (A), de la pression (p), du volume du réacteur (VR), de la température (T) et de la viscosité (η).

L’effet de la cavitation générée dépend de l’intensité surfacique. Le résultat du procédé présente une corrélation similaire. La puissance totale délivrée par un appareil à ultrasons est le produit de l’intensité surfacique (I) et de la surface (S) :

P [W] I [W / mm²]* S[mm²]

Amplitude

L’amplitude d’oscillation décrit la distance (par exemple 50 µm) parcourue par la surface de la sonotrode pendant un temps donné (par exemple 1/20 000s à 20kHz). Plus l’amplitude est grande, plus la pression diminue et augmente rapidement à chaque mouvement. En outre, le volume déplacé à chaque mouvement augmente, ce qui produit un volume de cavitation plus important (taille et/ou nombre des bulles). Dans les dispersions, des amplitudes plus élevées ont un effet destructeur plus important sur les particules solides. Le tableau 1 présente des valeurs générales pour certains procédés ultrasonores.

Pression

Le point d’ébullition d’un liquide dépend de la pression. Plus la pression est élevée, plus le point d’ébullition est élevé, et inversement. Une pression élevée permet la cavitation à des températures proches ou supérieures au point d’ébullition. Elle augmente également l’intensité de l’implosion, qui est liée à la différence entre la pression statique et la pression de vapeur à l’intérieur de la bulle (cf. Vercet et al. 1999). Comme la puissance et l’intensité ultrasonores évoluent rapidement lorsque la pression change, une pompe à pression constante est préférable. Pour alimenter une cellule à circulation en liquide, la pompe doit être capable d’assurer le débit spécifique du liquide aux pressions appropriées. Les pompes à diaphragme ou à membrane ; les pompes à tube flexible, à tuyau ou à compression ; les pompes péristaltiques ; ou les pompes à piston ou à piston plongeur créent des fluctuations alternées de pression. Les pompes centrifuges, les pompes à engrenages, les pompes à spirale et les pompes à cavité progressive, qui alimentent le liquide à soniquer à une pression constamment stable, sont à privilégier. (Hielscher 2005)

Température

Lors de la sonication d’un liquide, de la puissance est transmise au milieu. Comme les oscillations générées par ultrasons provoquent des turbulences et du frottement, le liquide soniqué – conformément à la loi de la thermodynamique – s’échauffe. Des températures élevées du milieu traité peuvent endommager le matériau et diminuer l’efficacité de la cavitation ultrasonore. Les cellules à circulation ultrasonores innovantes sont équipées d’une double enveloppe de refroidissement (voir illustration). Cela permet de contrôler précisément la température du matériau pendant le traitement par ultrasons. Pour la sonication de petits volumes dans un bécher, un bain de glace est recommandé afin de dissiper la chaleur.

Viscosité et concentration

Le broyage et la dispersion par ultrasons sont des procédés en milieu liquide. Les particules doivent être en suspension, par exemple dans de l’eau, de l’huile, des solvants ou des résines. L’utilisation de systèmes à ultrasons en circulation permet de soniquer des matières très visqueuses et pâteuses.
Un processeur à ultrasons de forte puissance peut fonctionner avec des concentrations en solides assez élevées. Une concentration élevée contribue à l’efficacité du traitement par ultrasons, car l’effet de broyage ultrasonore est provoqué par les collisions entre particules. Des études ont montré que le taux de fragmentation de la silice est indépendant de la concentration en solides jusqu’à 50% en masse. Le traitement de mélanges maîtres présentant une proportion très élevée de matière est une pratique courante de production utilisant la sonication.

Puissance et intensité par rapport à l’énergie

L’intensité surfacique et la puissance totale décrivent uniquement l’intensité du traitement. Le volume de l’échantillon soniqué et la durée d’exposition à une intensité donnée doivent être pris en compte pour décrire un procédé de sonication afin de permettre sa mise à l’échelle et sa reproductibilité. Pour une configuration donnée des paramètres, le résultat du procédé, par exemple la taille des particules ou la conversion chimique, dépend de l’énergie par volume (E/V).

Résultat = f (E /V )

Où l’énergie (E) est le produit de la puissance délivrée (P) et de la durée d’exposition (t).

E[Ws] = P[W]*t[s]

Les modifications de la configuration des paramètres modifient la fonction décrivant le résultat. Cela fait à son tour varier la quantité d’énergie (E) nécessaire pour un volume d’échantillon donné (V) afin d’obtenir une valeur de résultat spécifique. Pour cette raison, il ne suffit pas d’appliquer une certaine puissance ultrasonore à un procédé pour obtenir un résultat. Une approche plus élaborée est nécessaire pour déterminer la puissance requise et la configuration des paramètres dans laquelle cette puissance doit être transmise au matériau traité. (Hielscher 2005)

Production de bioéthanol assistée par ultrasons

Il est déjà établi que les ultrasons améliorent la production de bioéthanol. Il est recommandé d’épaissir le liquide avec de la biomasse pour obtenir une suspension très visqueuse qui reste pompable. Les réacteurs à ultrasons peuvent traiter des concentrations en solides assez élevées, ce qui permet de réaliser le procédé de sonication avec une efficacité maximale. Plus la suspension contient de matière, moins on traite de liquide porteur, lequel ne bénéficie pas du procédé de sonication. Comme l’apport d’énergie dans un liquide provoque son échauffement conformément à la loi de la thermodynamique, cela signifie que l’énergie ultrasonore est appliquée autant que possible à la matière cible. Une telle conception efficace du procédé évite de chauffer inutilement le liquide porteur excédentaire.
Les ultrasons facilitent l’ extraction de la matière intracellulaire et la rendent ainsi disponible pour la fermentation enzymatique. Un traitement doux par ultrasons peut accroître l’activité enzymatique, mais l’extraction de la biomasse nécessite des ultrasons plus intenses. Les enzymes doivent donc être ajoutées à la suspension de biomasse après la sonication, car les ultrasons intenses inactivent les enzymes, ce qui constitue un effet indésirable.

Résultats actuels obtenus par la recherche scientifique :

Les études de Yoswathana et al. (2010) concernant la production de bioéthanol à partir de paille de riz ont montré que la combinaison d’un prétraitement acide et d’un traitement par ultrasons avant le traitement enzymatique entraîne une augmentation du rendement en sucre pouvant atteindre 44% (sur la base de la paille de riz). Cela montre l’efficacité de la combinaison de prétraitements physiques et chimiques avant l’hydrolyse enzymatique des matières lignocellulosiques en sucre. 

Le graphique 2 illustre les effets positifs de l’irradiation ultrasonore lors de la production de bioéthanol à partir de paille de riz. (Du charbon de bois a été utilisé pour détoxifier les échantillons prétraités par prétraitement acide/ enzymatique et par prétraitement ultrasonore.)

Dans une autre étude récente, l’influence de la sonication sur les niveaux extracellulaires et intracellulaires de l’enzyme β-galactosidase a été examinée. Sulaiman et al. (2011) ont pu améliorer considérablement la productivité de la production de bioéthanol en utilisant des ultrasons à température contrôlée pour stimuler la croissance de la levure Kluyveromyces marxianus (ATCC 46537). Les auteurs de l’article concluent qu’une sonication intermittente avec des ultrasons de puissance (20 kHz), à des rapports cycliques de ≤20%, a stimulé la production de biomasse, le métabolisme du lactose et la production d’éthanol chez K. marxianus, à une intensité de sonication relativement élevée de 11,8Wcm². Dans les meilleures conditions, la sonication a multiplié la concentration finale en éthanol par près de 3,5 par rapport au témoin. Cela correspondait à une multiplication par 3,5 de la productivité en éthanol, mais nécessitait un apport de puissance supplémentaire de 952W par mètre cube de bouillon par sonication. Ce besoin énergétique supplémentaire restait tout à fait dans les normes de fonctionnement acceptables pour les bioréacteurs et, pour les produits à forte valeur, pouvait être facilement compensé par l’augmentation de la productivité.

Conclusion : avantages de la fermentation assistée par ultrasons

Le traitement par ultrasons s’est révélé être une technique efficace et innovante pour améliorer le rendement en bioéthanol. Les ultrasons sont principalement utilisés pour extraire la matière intracellulaire de biomasses telles que le maïs, le soja, la paille, les matières lignocellulosiques ou les déchets végétaux.

• Augmentation du rendement en bioéthanol
• Désintégration/ destruction cellulaire et libération de la matière intracellulaire
• Amélioration de la décomposition anaérobie
• Activation des enzymes par sonication douce
• Amélioration de l’efficacité du procédé grâce à des suspensions fortement concentrées

La simplicité des essais, la reproductibilité de la transposition à plus grande échelle et la facilité d’installation (également dans des lignes de production déjà existantes) font des ultrasons une technologie rentable et efficace. Des processeurs à ultrasons industriels fiables pour le traitement à l’échelle commerciale sont disponibles et permettent de soniquer des volumes de liquide pratiquement illimités.