Biocatalyse solide-gaz : application à la synthèse d'esters à label naturel

Gas-solid biocatalysis : application to natural esters synthesis

• Auteur / Autrice : Karine Roule-Woiry
• Direction : Marie-Dominique Legoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : La Rochelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Esters

Lipases

Biocatalyse

Mots clés libres

Bioprocédé

Biocatalyse

Réacteur enzymatique

Lipase

Candida antarctica

Estérification

Propionate d'alkyle

Arômes naturels

Résumé

Procédé biotechnologique, la biocatalyse solide/gaz pourrait permettre de produire des arômes à label naturel à un coût inférieur à celui des extraits naturels. Les travaux réalisés prouvent la faisabilité technique et la viabilité économique de la production d'esters naturels par ce procédé à l'échelle industrielle. La synthèse de propionates d'alkyle a été catalysée par la lipase B de Candida antarctica (Novozym 435) dans des réacteurs solide/gaz à lit fixe, au laboratoire et à l'échelle préindustrielle. Dans les deux cas, la synthèse de propionate d'éthyle a été utilisée comme modèle d'étude. D'après les essais menés au laboratoire, le comportement du réacteur solide/gaz obéit au modèle d'un réacteur à lit fixe à écoulement de type piston. L'activité catalytique du réacteur à l'équilibre thermodynamique est essentiellement due aux 2/5 du catalyseur, situé en entrée du réacteur ; la perte d'activité de ce dernier est d'ailleurs plus rapide. La pression (0,25 à 0,75 atm) ou la nature du gaz vecteur (air ou azote) n'affectent pas la stabilité du catalyseur, en revanche, certains substrats entraînent une perte d'activité catalytique accélérée. La variation d'énergie libre et les conditions de productivité optimale ont été déterminées pour la synthèse de sept esters et utilisées pour leur transfert à l'échelle pilote. Une installation pilote préindustrielle a été mise en place et validée par la production de lots-tests de 50 à 200 kg de cinq propionates d'alkyle, avec une productivité minimale de 2kg/h. Le retraitement de phases issues d'une production est également possible. Le taux de conversion des substrats reste inférieur à celui obtenu au laboratoire à cause des effets du changement d'échelle sur le tassage et le maintien du lit catalytique et d'un échauffement important de ce dernier, dû au caractère exothermique de la réaction. Ce dernier représente actuellement la principale limite aux performances du procédé.

As a biotechnological process, gas/solid biocatalysis is a valuable way to produce natural aromas at a lower cost than natural extracts. Technological and economical feasibility studies related to the production of natural esters at an industrial scale have been carried out. Lipase B from Candida antarctica has been used to catalyse alkyl propionate synthesis in gas/solid fixed bed reactors, both at laboratory and industrial scales. In both cases, ethyl propionate synthesis has been chosen as a model reaction. At the laboratory scale, the gas/solid reactor has been shown to obeys a piston like model. At the thermodynamic equilibrium, more than 70% of the reactor catalytic activity is due to the 2/5th of the catalyst, located at the reactor entry. In fact, the loss of catalytic activity is faster at the reactor entry. Pression (0. 25 to 0. 75 atm) or vector gas (air or nitrogen) do not seem to affect the catalyst stability whereas some substrates do. For the synthesis of seven esters, thermodynamic results and best productivity conditions were determined at the laboratory scale and used to fix production parameters at the pilot scale. A preindustrial plant has been set up and tested through the production of five alkyl propionates. In most cases, a minimal productivity of 2 kg/h was reached. Reprocessing of a failed batch and recycling of an aqueous phase containing non transformed substrates were also shown to be possible. The conversion rate is still lower at that scale than at the laboratory one due to effects of the scale-up. In particular, the packing down of the catalyst bed and its overheating, which is a consequence of the exothermic character of the reaction, are up to now the main limits to the process performances.