Procédé de Liquéfaction, Saccharification et Fermentation Simultanée à Très Haute Gravité utilisant de la farine de manioc pour la production de l'éthanol et valorisation de son sous-produit par la Fermentation en Milieu Solide pour l'alimentation animale
Simultaneous Liquefaction, Saccharification and Fermentation process at Very High Gravity using cassava flour for ethanol production and valorization of its by-product by Solid State Fermentation for animal feeds
Résumé
A simultaneous liquefaction, saccharification and fermentation (SLSF) process at very high gravity of cassava flour for potable ethanol production was developed at lab (1 L) and pilot scale (15 L and 1000 L). Cassava flour (CF) was mixed with tap water to obtain a concentration of 270 g/L dry matter. Sequentially, the mixture of a native starch hydrolyzing enzyme containing a mixture of alpha–amylase and gluco-amylase (Stargen 002 at 2565 GAU/kg CF), gluco-amylase (Amigase Mega L at 0.105% w/w), active dry yeast Saccharomyces cerevisiae (Red Ethanol at 3,5 × 10^7 cells/ml), KH2PO4 (9,9 mM) and urea (16.0 mM) was added into cassava slurry. The SLSF-VHG process including three steps of liquefaction, saccharification and fermentation was simultaneousely carried out in a same bioreactor, at 30°C. Under these conditions, the SLSF process finished after 144h fermentation with the ethanol concentration of 14,4% v/v corresponding to the theoretical ethanol yield of 86,0%. This SLSF-VHG process at very high gravity at pilot scale-1000 L was scaled up in order to evaluate the ethanol yield, energy consumption, production cost and environmental impact (greenhouse gas emissions). The results showed that the ethanol concentration of 13,9% v/v corresponding to a yield of 83,1% of the theoretical ethanol yield was obtained. The GHG emissions of cassava based SLSF process were 186,281 kg CO2eq. By using Response Surface Methodology, the quantity of Stargen 002; Amigase Mega L and yeast inoculation cells was reduced 13,1; 26,6 and 18,0%, respectively. Under these optimized conditions, for SLSF-VHG process at pilot scale 15L, the ethanol concentration obtained was 14,1% v/v corresponding to a yield of 84,0% of the theoretical ethanol yield.Cassava-based distillers dried grains (CDDG) obtained from SLSF-VHG process and from the ethanol plants using conventional process in Vietnam was determined the nutritional compositions. The results showed that, the CDDG produced from the SLSF-VHG and from conventional process had a high content of crude fiber (29,3 and 34,4%, respectively) and a low content of protein (13,2 and 11,9%, respectively). More value can be added to ethanol by-product through solid-state fermentation (SSF) using mold and yeast for animal feed. SSF were conducted with CDDG in 8 and 5 days of fermentation, respectively. Under optimal conditions, the crude protein fraction of CDDG fermented by Trichoderma harzianum BiomaTH1 or Yarrowia lipolytica W29 was increased from 11,84% DM for unfermented sample to 15,29 and 14,06% DM, respectively. In addition, the total amino acids of fermented samples using T. harzianum and Y. lipolytica was increased from 11,01 % DM to 13,86 % DM and 12,39 % DM along with an increase in the essential amino acids content which enhanced by 55% and 22%, respectively, including limiting amino acids in pig feeds. The in vitro protein digestibility was improved significantly from 82,5% to 89,2 and 86,9% for T. harzianum and Y. lipolytica fermentation, respectively.
Un procédé de Liquéfaction, Saccharification et Fermentation Simultanée (LSFS) à Très Haute Gravité (THG) en utilisant de la farine de manioc pour la production de l'éthanol, a été développé à l'échelle laboratoire (1 L) et pilote (15 L et 1000 L). La farine de manioc (FC) a été mélangée avec l'eau du robinet afin d'obtenir une concentration de 270 g/L de matière sèche (MS). Séquentiellement, le mélange d'une enzyme capable d'hydrolyser l'amidon natif contenant deux enzymes α–amylase et gluco-amylase (Stargen 002 à 2565 GAU/kg FC) et de gluco-amylase (Amigase Mega L à 0,105% p/p), de la levure sèche active Saccharomyces cerevisiae (Red Ethanol à 3,5 x 10^7 cellules/mL), du KH2PO4 (9,9 mM) et de l'urée (16,0 mM) ont été ajoutés dans la suspension de manioc. Le procédé LSFS-THG comprenant trois étapes de liquéfaction, saccharification et fermentation a été réalisé simultanément dans un même bioréacteur, à 30°C. Dans ces conditions, le procédé LSFS s'est terminé après 144 h de fermentation avec la concentration en éthanol de 14,4% v/v correspondant au rendement éthanol théorique de 86,0%. Ce procédé LSFS-THG à l'échelle pilote-1000 L a été réalisé afin d'évaluer le rendement en éthanol, la consommation d'énergie, le coût de production et l'impact environnemental. Les résultats ont montré que la concentration en éthanol de 13,9% v/v correspondant à un rendement théorique de 83,1% était obtenue. Les émissions de gaz à effet de serre de ce procédé LSFS étaient de 186,281 kg CO2eq. En utilisant la méthodologie de surface de réponse, la quantité de Stargen 002; d'Amigase Mega L et d'inoculation de levure ont été réduites respectivement de 13,1; 26,6 et 18,0%, respectivement. Dans ces conditions optimisées pour le procédé LSFS-THG à l'échelle pilote 15L, la concentration en éthanol obtenue était de 14,1% v/v correspondant à un rendement théorique de 84,0%.Les drêches sèches de distillerie à base de manioc (DSDM) obtenues à partir du procédé LSFS-THG et des usines d'éthanol au Vietnam utilisant un procédé conventionnel ont été déterminés pour les compositions nutritionnelles. Les résultats ont montré que les DSDM produits à partir de deux procédés avaient une teneur élevée en fibres brutes (respectivement de 29,3 et 34,4%) et une faible teneur en protéines (respectivement de 13,2 et 11,9%). Pour augmenter la valeur ajoutée de sous-produit, le procédé de fermentation en milieu solide (FMS) a été utilisé. Le FMS utilisant de la moisissure Trichoderma harzianum BiomaTH1 et la levure Yarrowia lipolytica W29 a été réalisé pour le DSDM en respectivement, 8 et 5 jours de fermentation. Dans des conditions optimales, la fraction protéique brute de DSDM fermentée par T. harzianum BiomaTH1 ou Y. lipolytica W29 a été augmentée de 11,84% MS pour un échantillon non fermenté, respectivement à 15,29 et 14,06% MS,. En outre, le total des acides aminés des échantillons fermentés utilisant T. harzianum et Y. lipolytica a été augmenté de 11,01% MS à 13,86% MS et 12,39% MS avec une augmentation de la teneur en acides aminés essentiels qui a augmenté respectivement de 55% et 22%, , y compris la limitation des acides aminés dans les aliments pour le porcs. La digestibilité des protéines in-vitro a été significativement améliorée respectivement de 82,5% à 89,2 et 86,9% pour la fermentation de T. harzianum et Y. lipolytica.
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