Bioéthanol : stabiliser la fermentation et la distillation pour un rendement maximal

Traditionnellement, le bioéthanol est produit par fermentation de sucres issus de cultures vivrières de première génération telles que le maïs, la canne à sucre, le blé et le sorgho. Alors que les politiques mondiales de décarbonation se font plus strictes, l'éthanol élargit son rôle de produit à faible teneur en carbone permettant de remplacer l'essence fossile.

L'industrie se détourne toujours plus des matières premières de première génération au profit de celles de la deuxième génération, également appelées matières premières cellulosiques, en vue de réduire les émissions du cycle de vie ainsi que la concurrence avec la production alimentaire. Les matières premières non alimentaires, dont les résidus agricoles, les sous-produits forestiers et les cultures énergétiques dédiées, contiennent des sucres fermentescibles enfermés dans des structures lignocellulosiques qui doivent d'abord être décomposées.

Ces matériaux nécessitent des étapes supplémentaires de prétraitement et d'hydrolyse enzymatique pour libérer les sucres fermentescibles de la lignocellulose. La transition aide à réduire davantage les émissions, mais augmente également la variabilité des matières premières et la complexité des process biologiques.

Parallèlement au transport routier, la demande d'éthanol est en hausse dans plusieurs domaines d'utilisation, dont les suivants :

• Aviation, en raison de l'essor des approches de carburant d’aviation durable (CAD)
• Production chimique, où l'éthanol sert de matière première renouvelable
• Applications des carburants industriels, soutenant les efforts de décarbonation dans les process à forte intensité énergétique

L'adoption des véhicules à carburant mixte dans plusieurs régions et le développement continu des approches de CAD renforcent encore davantage le besoin d'une production stable et à haut rendement. À mesure que la variété des matières premières augmente, le maintien d'un contrôle rigoureux des process de fermentation et de distillation devient crucial pour assurer une conversion efficace, une pureté élevée du produit et des processus en aval fluides.

Alors que les initiatives de décarbonation se multiplient dans le monde entier, le bioéthanol joue un rôle de plus en plus important dans le remplacement de l'essence fossile et la réduction des émissions du cycle de vie. Les États-Unis et le Brésilrestent les plus grands marchés de l'éthanol, avec des moteurs réglementaires forts tels que le Renewable Fuel Standard (RFS) aux États-Unis et RenovaBio au Brésil. Ces cadres continuent à durcir les réglementations sur les mélanges et à récompenser les approches réduisant la quantité de carbone produite.  

En Inde, l'un des marchés de l'éthanol connaissant la croissance la plus rapide au monde, le gouvernement déploie à l'échelle nationale l'adoption du carburant E20. Un programme initié en 2023 et qui continue à prendre de l'ampleur dans tout le pays. Cette expansion soutenue renforce encore davantage la demande d'éthanol d'une pureté élevée et constante.

Dans l'Union européenne, la directive relative aux énergies renouvelables (RED II/III) exige des États membres d'accroître l'utilisation d'énergie renouvelable dans les transports, pour atteindre 29 % en 2030 ou réduire de 14,5 % l'intensité de GES . S'ils n'imposent pas de niveau fixe pour le mélange de l'éthanol, ces objectifs favorisent l'adoption d'éthanol de première génération et de l'éthanol cellulosique dans la région.

Sous l'effet de la hausse de la demande, les producteurs d'éthanol doivent répondre à des exigences opérationnelles croissantes pour conserver des rendements de fermentation élevés, maîtriser la variabilité biologique et stabiliser la consommation d'énergie pour la distillation. La fermentation est particulièrement sensible et les moindres écarts peuvent perturber la chaîne dans son entier. Une mesure de process précise et un contrôle rigoureux de la fermentation sont essentiels pour préserver l'efficacité de production et satisfaire aux exigences croissantes du marché mondial du bioéthanol.

La production industrielle de bioéthanol se déroule généralement en trois étapes :

1. Préparation de l'alimentation : la matière première pour le bioéthanol peut provenir de nombreuses sources. Les matières premières riches en sucre, telles que le jus de canne à sucre, le sorgho ou la molasse, peuvent être fermentées directement. Les matières à base d'amidon, telles que le maïs ou le blé, sont converties en sucres par combinaison de cuisson à haute température et traitement enzymatique. Au cours de cette phase de conversion, le process de transformation de l'amidon en sucres est étroitement surveillé afin d'optimiser la consommation d'énergie et d'aider les opérateurs à maximiser le sucre total disponible
2. Fermentation : la bouillie préparée est adaptée au pH ainsi qu'aux nutriments et levurée. La fermentation a lieu dans de grandes cuves à agitation, où la température, le pH et le dégagement de CO₂ sont surveillés pour assurer la viabilité des levures et l'efficacité de la fermentation. De petits écarts peuvent réduire l'efficacité de la conversion ou entraîner la formation de sous-produits affectant la séparation en aval
3. Distillation et déshydratation : la "bière" riche en éthanol est transférée vers le système de distillation. Dans ce dernier, une colonne de distillation sépare l'éthanol de l'eau et des solides par réchauffement contrôlé. La surveillance de la distillation, y compris la mesure de la température et de la concentration en éthanol, détermine l'efficacité de la colonne. La déshydratation finale permet à l'éthanol d'atteindre le niveau de pureté de la qualité carburant

Ces étapes ont un impact direct sur le rendement du bioéthanol et la consommation d'énergie. Une instrumentation fiable est donc indispensable à un fonctionnement efficace.

Même lorsque la fermentation et la distillation se déroulent dans les limites nominales, des signes précoces de perte de rendement et d'instabilité apparaissent souvent. Ces symptômes reflètent généralement des écarts dans la régulation du process d'éthanol et ils ont tendance à se manifester avant que des alarmes se déclenchent.

• Des batchs de fermentation qui se terminent par une concentration d'éthanol inférieure à la valeur prévue
• Une variabilité dans la consommation de sucre d'un batch à l'autre
• Une formation excessive de mousse ou des schémas de libération de CO₂ inattendus
• Une formation accrue de sous-produits, tels que l'acide acétique ou le glycérol
• Des besoins énergétiques plus élevés lors de la distillation pour atteindre la pureté cible
• De l'éthanol non conforme aux spécifications en raison de l'instabilité dans la colonne de distillation, par exemple variations du rapport de reflux, de la pression ou de la température

Ces problèmes sont les répercussions superficielles de déséquilibres de process plus profonds survenant lors de la fermentation ou la distillation. Les petits changements dans l'activité biologique ou le comportement de la colonne peuvent rapidement empirer, amplifiant ainsi leur impact sur la consommation d'énergie et la pureté de l'éthanol. L'identification des facteurs à l'origine de ces fluctuations est la première étape vers la stabilisation de la production.  

Alors que les indicateurs décrits au chapitre précédent décrivent ce que les opérateurs observent, les causes sous-jacentes sont souvent ancrées plus profondément dans les étapes biologiques et thermiques de la production. La fermentation exige des conditions microbiennes constantes, tandis que la distillation repose sur une chaleur un transfert de chaleur et de masse stable. En cas de dérive à l'une de ces étapes, de petits écarts peuvent dégénérer pour aboutir à un rendement d'éthanol réduit, une consommation d'énergie plus élevée et une qualité de produit fluctuante. La compréhension de ces facteurs fondamentaux est essentielle pour améliorer la régulation globale du process d'éthanol et préserver la prévisibilité du fonctionnement.

• Variations du pH qui altèrent le métabolisme des levures, ralentissent la conversion du sucre et font baisser le rendement d'éthanol
• Fluctuations de température dans les fermenteurs qui provoquent un stress des levures, ralentissent la cinétique de la réaction et augmentent les besoins en vapeur dans la distillation en aval
• Alimentation en sucre ou en nutriments non optimisée, entraînant des variations d'un batch à l'autre dans la formation d'alcool ainsi que des cinétiques de fermentation instables
• Gestion inefficace du CO₂, altérant l'activité microbienne et dissimulant une contamination précoce ou des problèmes de viabilité des levures
• Absence de mesures fiables de la concentration en sucre, en nutriments et en éthanol limitant la surveillance en temps réel et empêchant une régulation efficace des paramètres critiques du process

• Instabilité de la colonne de distillation, dont des variations de pression ou de température et une mauvaise régulation du reflux, ce qui réduit l'efficacité de la distillation et la pureté de l'éthanol
• Efficacité de séparation réduite, entraînant une consommation d'énergie accrue, un plus grand nombre de recyclages internes et une concentration finale d'éthanol hétérogène

Ces schémas de fonctionnement sont souvent l'indice de conditions de fermentation ou de distillation qui commencent à s'écarter des valeurs cibles. Étant donné que les deux étapes sont étroitement liées, les moindres écarts peuvent affecter l'efficacité globale. La surveillance des variables clés du process permet une détection précoce et aide à maintenir les deux étapes dans leurs gammes optimales.

Des solutions de mesure fiables transforment une séquence de fermentation-distillation sensible en un process qui peut être surveillé et régulé en continu.

Un petit ensemble de mesures clés fournit une visibilité précoce de l'activité microbienne, de la conversion du sucre, de la consommation d'énergie et des performances de séparation. Ce niveau de visibilité facilite la gestion et l'optimisation du process de production de bioéthanol.

• La mesure du pH durant la fermentation garantit un métabolisme stable des levures et une conversion optimale du sucre en éthanol
• La surveillance de la température de fermentation protège l'activité des levures et stabilise la cinétique de la réaction
• La mesure du débit d'alimentation en sucre et en nutriments maintient à un niveau constant la disponibilité des substrats d'un batch à l'autre
• La surveillance du dégagement de CO₂ procure des informations en temps réel sur l'activité de fermentation et la santé des levures

• La surveillance de la température dans la colonne de distillation renseigne sur la stabilité des plateaux et les performances de séparation
• La mesure de la pression dans la colonne aide à maintenir l'équilibre vapeur-liquide
• La surveillance du débit de reflux et de vapeur permet de contrôler l'efficacité de la séparation et la consommation d'énergie
• La mesure de la concentration d'éthanol permet de vérifier la pureté du produit et d'identifier les pertes lors de la séparation

• La surveillance de la température dans les rebouilleurs et les condenseurs aide à maintenir l'équilibre thermique du système de distillation ; l'instabilité augmente la consommation de vapeur et les charges de recyclage interne
• La mesure du débit de vapeur, d'eau de refroidissement et de condensats révèle les déséquilibres énergétiques dans le système de distillation et aide les opérateurs à contrôler la consommation énergétique globale de la distillation
• La surveillance de la pureté de l'éthanol par mesure de la densité ou de la conductivité permet de détecter les impuretés, un transfert d'eau ou une instabilité de la déshydratation pouvant faire varier la concentration finale d'éthanol

Les solutions de mesure fournissent les données fondamentales dont les opérateurs ont besoin pour gérer en toute sérénité la fermentation et la distillation. Lorsque les signaux du process sont précis, les opérateurs peuvent effectuer des réglages proactifs pour rectifier au besoin la conversion du sucre, l'activité microbienne, la stabilité dans la colonne ainsi que la pureté de l'éthanol. Source de prévisibilité dans la régulation du process d'éthanol, la visibilité en temps réel des variables clés réduit la variabilité entre les étapes biologiques et thermiques.

• Titres d'éthanol plus élevés grâce à une cinématique de fermentation stable et des performances microbiennes constantes
• Consommation d'énergie réduite grâce au déroulement stable de la distillation et à un échange thermique plus efficace
• Moins de batchs non conformes aux spécifications, ce qui réduit la remise en production et stabilise la concentration d'éthanol dans toutes les campagnes de production
• Gain d'homogénéité dans les fermenteurs, réduisant les variations d'un batch à l'autre dans l'utilisation du sucre et dans la libération de CO₂
• Réduction des risques de sécurité liés aux fluctuations de pression, à l'accumulation de CO₂ et à la gestion de la vapeur d'éthanol
• Disponibilité plus élevée, avec moins de fausses alarmes et de fluctuations dans les mesures clés, telles que le pH, la concentration de nutriments et d'éthanol, la température et la densité
• Meilleure utilisation de l'équipement procurant un gain de prévisibilité dans l'établissement des calendriers, la productivité et la planification des ressources

L'optimisation de la production de bioéthanol est un processus continu de perfectionnement. Qu'il s'agisse de dimensionner une nouvelle installation cellulosique ou de moderniser l'équipement disponible pour réduire son empreinte carbone, une stratégie de mesure fiable est l'atout le plus précieux. Elle assure une production d'éthanol combinant qualité élevée et efficacité énergétique, tout en réduisant la variabilité et les risques opérationnels.

Ce chapitre aborde les questions courantes liées à la stabilité de la fermentation, au rendement de l'éthanol et à la performance énergétique dans la production de bioéthanol. Il se concentre sur des défis opérationnels typiques tels que la variabilité des matières premières, les inefficacités lors de la fermentation et la stabilité de la distillation.