Process For Synthesizing Bifunctional Hydrocarbon Based Compounds From Biomass
Abstract:
The subject matter of the present invention is a process for synthesizing bifunctional hydrocarbon based compounds from biomass comprising a step of fermentation of the biomass and a step of oxidation of the intermediate compounds resulting from the fermentation step.
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Procédé de synthèse de composés hydrocarbonés bi- fonctionnels à
partir de biomasse .
[Domaine de l'invention]
La présente invention a pour objet un procédé de synthèse de
composés hydrocarbonés bi-f onctionnels à partir de biomasse
comportant une étape de fermentation de la biomasse et une étape
d'oxydation des composés intermédiaires issus de l'étape de
fermentation .
[CONTEXTE DE L'INVENTION] Art antérieur
La synthèse classique de composés hydrocarbonés bi-fonctionnels
tels que les acides insaturés, les nitriles insaturés, les
anhydrides d'acide, les acétals, les aldéhydes, les époxydes
incluant les oxydes d'éthylène et de propylène est réalisée
industriellement par voie chimique en utilisant des matières
premières issues des hydrocarbures fossiles.
L'évolution actuelle en matière d'environnement conduit dans les
domaines de l'énergie et de la chimie à privilégier l'exploitation
des matières premières naturelles provenant d'une source
renouvelable ainsi que des déchets. C'est la raison pour laquelle
des travaux ont été engagées pour élaborer sur le plan industriel
des procédés utilisant comme matière première des produits issus
de la biomasse.
Parmi les procédés de transformation, la fermentation connue
depuis des millénaires et « institutionnalisée » par Pasteur,
occupe une place à part et n'est utilisée que dans des secteurs
bien circonscrits de l'industrie voir à ce sujet les Techniques
de l'Ingénieur J 6 006 pages 1 à 18. La synthèse de « solvants »
tels que l'acétone, le butanol, et l'éthanol par fermentation de
carbohydrates est bien connue, on peut citer particulièrement le
brevet US 1,315,585 et a été utilisée industriellement depuis 1919
avec une bactérie Clostridium acetobutylicum. Il est à noter
qu'une bactérie de ce genre est utilisée pour la synthèse par
fermentation d'acides tels que les acides propionique, acétique et
succinique (Techniques de l'Ingénieur J 6 002 page 9 tableau 4 ) .
Ces procédés anciens se sont vus concurrencés dès les années 1950
par les procédés chimiques utilisant les produits pétroliers dont
le coût était beaucoup moins élevé.
Dans la suite du texte on entend
- par composés hydrocarbonés bi-f onctionnels les composés de 2 à
6 atomes de carbone par molécule comportant deux fonctions, et
par fonction il faut entendre les fonctions acide, nitrile,
aldéhyde, éther ou insaturation oléf inique. Ces composés bifonctionnels
sont donc par exemple des diacides, des anhydrides
d'acide, des acides insaturés, des nitriles insaturés, des
aldéhydes insaturés, des acétals, des diols sous forme époxyde
(ou oxiranne) tels que les oxydes d'éthylène, de propylène...
par composés intermédiaires (de fermentation) , les acides
saturés, les hydroxyacides , acides lactique, 3-
hydroxypropionique , 3-hydroxybutyrique, 2-hydroxyisobutyrique,
3-hydroxyisobutyrique..., les a-oléfines et les alcools,
par biomasse, la fraction biodégradable de produits, de déchets
tels que définis dans la directive européenne n ° 2003/30/CE du
8 mai 2003 et susceptible d'être transformée par voie de
fermentation en présence de microorganismes tels que les
enzymes, bactéries, levures, champignons ...
Par biomasse on entendra les sucres, les amidons, les
celluloses et hémicellulose et toute matière végétale contenant
sucre, cellulose, hémicellulose et/ou amidon ainsi que le gaz
de synthèse.
Les matières végétales contenant des sucres sont principalement la
canne à sucre et la betterave sucrière; on peut aussi citer par
exemple l'érable, le palmier-dattier, le palmier à sucre, le
sorgho ou l'agave américain.
Les matières végétales contenant de la cellulose et/ou de
1'hémicellulose sont par exemple le bois, la paille, les rafles de
maïs, les tourteaux de grains ou de fruits.
Les matières végétales contenant des amidons sont principalement
les céréales et légumineuses, blé, maïs, sorgho, seigle, froment,
riz, pomme de terre, manioc, patate douce ou encore les algues.
Parmi les matières issues de matériaux récupérés, on peut citer
les déchets végétaux ou organiques contenant des sucres et/ou des
amidons et/ou des celluloses et plus généralement tout déchet
fermentable y compris le gaz de synthèse issu des processus
naturels ou industriels, et le monoxyde de carbone. Le gaz de
synthèse qui peut convenir pour ce type de fermentation peut avoir
un ratio molaire H2/CO variant dans une large gamme, notamment de
0/1 à 4/1.
Les micro-organismes utilisés dans la bioconversion sont également
bien connus. Ces micro-organismes sont fonction du type de
biomasse à traiter et du mode de fermentation, aérobie ou
anaérobie retenu. On peut citer à titre d'exemple, la fermentation
alcoolique avec des levures et des bactéries du genre Zymomonas ou
Zymosarcina ; la fermentation homolactique avec des bactéries du
genre Streptococcus ou Lactobacillus , la fermentation
hétérolactique avec des bactéries du genre Leuconostoc ou
Lactobacillus , la fermentation propionique avec des bactéries du
genre Clostridium, Propionibacterium ou Corynebacterium, la
fermentation butyroacétonobutylique avec des bactéries du genre
Butyribacterium ou Zymosarcina , la fermentation acide mixte avec
des bactéries du genre Escherichia , Salmonella ou Proteus , et la
fermentation butylène glycolique avec des bactéries du genre
Aerobacter ou Aeromonas etc..
Des travaux plus récents ont montré qu'il était possible
d'apporter des perfectionnements aux procédés de fermentation en
utilisant successivement deux types différents de bactéries,
pouvant appartenir au même genre pour réaliser les deux étapes du
procédé global, l'étape intermédiaire étant la synthèse de
l'acide. On peut citer à ce sujet le brevet US n ° 5 , 753, 474 qui
décrit la synthèse de butanol et de composés similaires par
fermentation de carbohydrates avec des bactéries du genre
Clostridium tels que C .tyrobutyricum, C . thermobutyricum, C .
butyricum, C . cadaveros, C . cellobioparum... (col. 3 lignes 1 à
17) . Par ailleurs des travaux encore plus récents ont montré qu'il
était possible d'apporter à certains microorganismes, soit par
intégration au sein de la cellule, soit par apport externe
complémentaire, des fonctions additionnelles susceptibles
d'améliorer la sélectivité et même de permettre de nouvelles
transformations. On peut citer à ce sujet le brevet
(PCT/FR2009/051332) qui décrit la synthèse par fermentation
d'alcènes terminaux à partir d'une source de carbone (biomasse) au
moyen d'un micro-organisme susceptible de convertir la source de
carbone en composés de type 3-hydroxyalcanoates, microorganisme
auquel est associée une enzyme de type décarboxylase qui permet de
décarboxyler les 3-hydroxyalcanoates formés.
L'oxydation chimique en phase gazeuse des oléfines, alcools ou
acides ou aldéhydes saturés (oxydéshydrogénation des alcools,
acides et aldéhydes) est également bien connue.
Dans les procédés d'oxydation en phase gaz actuels, le composé à
oxyder (alcool, acide ou aldéhyde saturé, hydrocarbure...) est en
général mis en contact avec de l'air, bien souvent de l'air dilué
par de l'azote, dans un réacteur d'oxydation. La mise en oeuvre de
cette réaction très exothermique est technologiquement délicate et
nécessite que l'on utilise des réacteurs multitubulaires ou des
réacteurs en lit fluidisé.
Une autre contrainte pèse sur les réacteurs d'oxydation à
l'oxygène qui est liée au domaine d 'inf lammabilité et donc à la
sécurité des procédés. Il est souhaitable de pouvoir opérer les
réacteurs en dehors de la zone d 'inf lammabilité des mélanges, pour
des raisons de sécurité évidentes. Malheureusement, cette
condition limite le domaine opératoire, car il n'est pas possible
d'utiliser des quantités d'oxygène ou de réactif à oxyder
importantes, dans un mélange ternaire Air-Azote-Hydrocarbure ou
Air-Azote-Alcool par exemple.
Les solutions mises en oeuvre habituellement pour éviter le domaine
d 'inf lammabilité consistent à diluer les gaz de réaction soit avec
de la vapeur d'eau, soit avec des gaz de recyclage appauvris en
oxygène (et donc riches en azote) .
Il est aussi connu d'effectuer des réactions d'oxydation, en
présence d'un gaz inerte vis-à-vis de la réaction comme du C02, du
méthane, voire du propane. La demanderesse a dans ce domaine
déposé deux demandes de brevet sur l'oxydation partielle en phase
gazeuse des alcools légers (C1-C4), du méthanol en particulier, en
présence d'un hydrocarbure en C1-C5, de méthane notamment, pour
obtenir des acétals ( O07128941 ou des aldéhydes légers
OG8G07014 .
Par ailleurs, elle a déposé conjointement avec la société Air
Liquide une demande de brevet français N°09 57731 du 2 novembre
2009 portant sur l'oxydation d'alcènes et notamment de propylène
en présence de propane, publiée sous le numéro WO11051621.
Dans ces différents cas, le méthane d'une part et le propane
d'autre part jouaient les rôles d'agent diluant (domaine
d 'inflammabilité) et de «ballast thermique» (élimination des
calories) . L'intérêt de l'ajout de ces types de gaz est multiple.
Ils ont une chaleur spécifique plus élevée que l'azote, ils
transportent donc plus de calories du réacteur, ils sont inertes
chimiquement et certains inhibent mieux les réactions radicalaires
de combustion, ce qui permet de réduire notablement le domaine du
mélange inflammable et donc d'augmenter le domaine opératoire.
L'utilisation d'un ballast de gaz de ce type permet donc
d'augmenter la productivité et/ou la sélectivité des réacteurs.
Malheureusement, les gaz comme le méthane, le C02 ou le propane ne
sont pas toujours facilement disponibles sur les sites
industriels, et leur utilisation nécessite des procédés complexes
de recyclage/purification. En outre, si le C02 devait être produit
spécifiquement, à partir de ressources fossiles, il contribuerait
à l'augmentation des émissions anthropogéniques de C02 fossile du
site industriel, alors qu'on cherche à les limiter.
[Problème technique]
Le but de l'invention est donc de fabriquer les composés
hydrocarbonés bi-f onctionnels de type acide insaturé, nitrile
insaturé, anhydride d'acide, aldéhyde insaturé, acétal, époxyde à
partir de biomasse en s 'affranchissant donc de l'utilisation de
matière première d'origine fossile tout en permettant
l'optimisation des conditions opératoires de l'étape d'oxydation.
L'invention consiste à combiner une première étape où l'on opère
par fermentation de la biomasse la formation de composés
intermédiaires, tels que les -oléfines, les acides saturés, les
hydroxyacides ou les alcools, avec formation d'un gaz riche en
C02, avec une deuxième étape de transformation à l'aide d'oxygène
moléculaire en phase gazeuse des composés intermédiaires en
présence du C02 issu de la première étape.
[Description détaillée de l'invention]
L'invention a pour objet un procédé de synthèse de composés
hydrocarbonés bi-f onctionnels comportant de 2 à 6 atomes de
carbone par molécule, les deux fonctions étant choisies parmi les
fonctions acide, aldéhyde, nitrile, acétal, insaturation -
oléfinique à partir de biomasse consistant dans une première
étape à soumettre la biomasse à une fermentation en présence d'un
micro-organisme et/ou d'une enzyme adaptés permettant la
formation de composés intermédiaires choisis parmi les acides
saturés, portant éventuellement une fonction hydroxyle, les
alcools et les -oléfines, sous forme liquide ou gazeuse, ainsi
que de C02, puis dans une deuxième étape à oxyder à transformer
en phase gazeuse par voie catalytique à l'aide d'oxygène
moléculaire les composés intermédiaires en présence du C02 issu de
la première étape.
Le C02 issu de l'étape de fermentation peut également provenir
d'une utilisation du C02 comme gaz d 'inertage lors des
fermentations anaérobies .
Les fonctions des composés hydrocarbonés de l'invention seront
soit deux fonctions acides COO, sous forme diacide ou sous forme
anhydride d'acide, soit deux fonctions C-O-C de type éthers sous
forme d 'acétal, soit deux fonctions C-0 hydroxyles ou sous forme
d'époxydes (oxydes d'éthylène ou de propylène...) , soit une fonction
acide et une insaturation -oléf inique , soit une fonction aldéhyde
et une insaturation -oléf inique .
Lors de la première étape on synthétise par fermentation de la
biomasse de manière connue un composé intermédiaire qui sera soit
i ) un alcool comportant de 2 à 4 atomes de carbone par exemple
éthanol, propanol, isopropanol, butanol ou isobutanol, soit ii)
une -oléfine comportant de 2 à 4 atomes de carbone par exemple
éthylène, propylène, n-butène, isobutène, soit iii) un acide
organique saturé, porteur le cas échéant d'une fonction hydroxyle,
comportant 2 à 4 atomes de carbone, on peut citer à titre
d'exemple de tels acides organiques saturés l'acide propionique,
l'acide butyrique, l'acide iso-butyrique, l'acide lactique,
l'acide 3-hydroxypropionique, les acides 2- ou 3-
hydroxyisobutyrique et l'acide 3-hydroxybutyrique ou un sel d'un
acide organique saturé, porteur le cas échéant d'une fonction
hydroxyle, comportant 2 à 4 atomes de carbone, on peut citer à
titre d'exemple de tels sels d'acides organiques saturés sel
d'acide propionique, sel d'acide butyrique, sel d'acide iso
butyrique, sel d'acide lactique, sel d'acide 3-hydroxypropionique,
sel des acides 2- ou 3-hydroxyisobutyrique et sel d'acide 3-
hydroxybutyrique .
De préférence le cation du sel d 'acide organique saturé est
monovalent et avantageuse choisi parmi le sodium, potassium et
ammonium .
La biomasse désigne la fraction biodégradable de produits,
déchets, etc.. d'origine végétale ou animale ainsi que les gaz de
synthèse. Soumise à la fermentation, elle fournira via le carbone
qu'elle contient l'énergie nécessaire au développement du
microorganisme utilisé et à sa transformation en composés
organiques légers. La biomasse selon l'invention est constituée
par les sucres, les amidons, les celluloses et toute matière
végétale contenant sucre, cellulose, hémicellulose et/ou amidon
ainsi que par les gaz de synthèse. La biomasse contiendra de
préférence des carbohydrates , sucres à 5 ou 6 atomes de carbone
(pentoses ou hexoses), des polyols (glycérol) ou des polymères
naturels biodégradables tels que l'amidon, la cellulose ou
1 'hémicellulose ou des polyhydroxyalcanoates (PHA) tels que le PHB
(polyhydroxybutyrate) ou le PHVB (polyhydroxybutyratevalérate) .
Le choix du ou des micro-organisme (s) utilisés lors de la première
étape dépendra de la nature de la biomasse traitée et du type de
composé intermédiaire recherché induit par le composé objectif
final .
Le point commun à l'ensemble de ces divers processus est la
production concomitante de C02.
La fermentation peut être anaérobie ou aérobie. Dans le premier
cas de la fermentation anaérobie, celle-ci peut être dans certains
cas conduite en présence d'un gaz inerte tel que par exemple le
C02. Dans le second cas, la fermentation est effectuée en présence
d'oxygène moléculaire, le plus souvent apporté sous forme d'air.
Le mélange gazeux issu de la fermentation quelle que soit sa forme
sera alors constitué d'azote, d'oxygène, de C02 et d'autres gaz
hydrocarbonés tels que des oléfines ou des composés organiques
légers.
Lorsque des oléfines légères sont produites à titre de composé
intermédiaire, le mélange gazeux contenant à la fois des oléfines
et de l'oxygène peut s'avérer difficile à manipuler, notamment en
raison des risques d'inflammation. Ces oléfines ne peuvent pas
être facilement utilisées en polymérisation directe par exemple en
raison des quantités d'oxygène résiduelles. La présence d'azote en
quantité importante peut aussi nuire à la récupération des
oléfines. Par contre, lorsque les oléfines légères, voire les
autres composés organiques sont destinés à être oxydés selon le
procédé de l'invention, la présence d'oxygène résiduel n'est pas
un inconvénient majeur.
Le composé intermédiaire est ensuite soumis à une étape
d'oxydation au moyen d'oxygène moléculaire. L'oxygène est
introduit dans le réacteur d'oxydation sous forme d'air, d'oxygène
pur ou de mélanges intermédiaires air-oxygène tels que l'air
enrichi .
Par étape d 'oxydation il faut entendre au sens large toute étape
réactionnelle mettant en jeu l'oxygène en tant que réactif. C'est
ainsi que 1'oxydéshydrogénation est une oxydation au sens de
l'invention comme d'ailleurs 1'oxydéshydratation qui est la
combinaison d'une déshydratation et d'une oxydation.
Dans le procédé de l'invention l'étape d'oxydation est réalisée en
présence du C02 produit lors ou encore issu de la première étape
de fermentation. Le C02 présent lors de la phase d'oxydation
remplit deux fonctions celle d '«agent de stabilisation», c'est-àdire
de gaz inerte évitant de se trouver dans les conditions
d 'inf lammabilité du mélange réactif et, celle, grâce à sa chaleur
spécifique élevée, d'agent de transfert des calories produites
lors de la réaction exothermique d'oxydation cette dernière
fonction est souvent appelée « ballast thermique » .
A titre d'exemples de schémas de procédés conformes à l'invention,
couplage fermentation - oxydation, on peut citer à titre
d'exemple, ceux qui passent par les voies suivantes :
Biomasse -7 isopropanol -7 acide acrylique
Biomasse -7 n-butanol -7 anhydride maléique / anhydride phtalique
Biomasse -7 iso-butanol -7 acide méthacrylique / méthacrylate de
méthyle
Biomasse -7 éthanol -7 acétals
Biomasse -7 butanol -7 acétals
Biomasse -7 isobutène -7 acide méthacrylique / méthacrylate
méthyle
Biomasse -7 propylène -7 acide acrylique / acroléine
acrylonitrile / oxyde de propylène
Biomasse -7 propylène / isobutène -7 (méth) acrylonitrile
Biomasse - acide propionique - acide acrylique
Biomasse -7 acide lactique -7 acide acrylique
Biomasse -7 acide 3-hydroxypropionique -7 acide acryliqu
Biomasse -7 acide isobutyrique -7 acide méthacrylique
Biomasse -7 acides 2- ou 3-hydroxyisobutyriques
méthacrylique
Les divers acides cités ci-dessus peuvent être obtenus sous leur
forme nitrile en réalisant la dernière étape d'oxydation en
présence d'ammoniac.
L'étape d'oxydation en phase gazeuse des composés intermédiaires
est réalisée selon les schémas réactionnels suivants en fonction
des composés intermédiaires et des produits finaux recherchés.
Composés intermédiaires alcools
L'oxydation de 1'isopropanol conduit à l'acide acrylique selon la
succession de réactions qui peuvent être réalisées en une ou
plusieurs étapes. :
CH3-CH 2OH-CH 3 + 3/2 02 CH2= CH-COOH + 2 H20
soit
CH3-CH 2OH-CH 3 CH2=CH-CH 3 + H20
CH2=CH-CH 3 + 02 CH2=CH-CHO + H20
CH2=CH-CHO + 02 CH2=CH-COOH
De même l'oxydation de 1'iso-butanol conduit à l'acide
méthacrylique selon la succession de réactions qui peuvent être
réalisées en une ou plusieurs étapes. :
(CH3)2-CH-CH2OH CH2=C(CH 3)2 + H20
CH2=C(CH 3)2 + 02 CH2=C (CH3)-CHO + H20
CH2=C (CH3)-CHO + 02 CH2=C (CH3)-COOH
Ces deux réactions comportent en fait deux étapes avec formation
intermédiaire de l'aldéhyde, acroléine ou méthacroléine, oxydée
ensuite en acide. L'oxydation de 1'isopropanol et de l'isobutanol
mène à l'aldéhyde, acroléine ou méthacroléine, par
oxydéshydratation puis ensuite à l'acide acrylique ou
méthacrylique par insertion d'oxygène.
L'étape de déshydratation de l'alcool est effectuée sur un
catalyseur acide, par exemple une alumine gamma, à une température
de 200 à 400 °C, et de préférence en présence de vapeur d'eau.
L^étape d'oxydation de l'oléfine est conduite en phase vapeur en
présence d'air et de vapeur d'eau à une température entre 300 et
380°C sous faible pression, 1 à 5 bars absolus, en présence de
catalyseurs oxydes mixtes Mo, Co, Bi, Fe .
L'oxydation de l'aldéhyde est conduite dans des conditions
voisines, 250