Valorisation de Lactoserum

Dr. Noureddine Eloutassi

Description

Rev. Microbiol. Ind. San et Environn. Vol 5, N°2, p : 39-53 Eloutassi et al.,2011 PRODUCTION DES SUCRES SIMPLES À PARTIR DU LACTOSE ISSU DU LACTOSERUM 1,2 3 1N. Eloutassi *, B.Louasté ., M. Chaouch 1- Laboratoire de chimie de l'environnement, Faculté des sciences, Université sidi Mohamed ben Abdellah. Fès , 2- Laboratoire de Biotechnologie des Plantes Aromatiques, Faculté des sciences, Université sidi Mohamed ben Abdellah. Fès , 3- Laboratoire de Génétique Moléculaire, Faculté des sciences, Université sidi Mohamed ben Abdellah. Fès, * Auteur de correspondance : Eloutassi Noureddine. Rue 10, n° 4 Bendebabe Jnane Lahrichi, Fès. Maroc. Tel: [phone]. E-mail: [e-mail] RESUMÉ Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la valorisation des rejets de l’industrie laitière. L'unité de transformation de Lait de la Ville Rabat/Salè rejette quotidiennement environ 7500 litres/jour de lactosérum. Par sa composition biochimique (lactose, protéines, vitamines), le lactosérum est un excellent milieu valorisable et devient un facteur de pollution redoutable. Du même, la production de bioéthanol par la fermentation des rejets de l’industrie laitière est très limitée. Le rendement et la tolérance en alcool par les organismes de la fermentation alcoolique du lactose issu du lactosérum sont très faibles. Alors, l'objectif de ce travail est de produire des sucres monomériques fermentescibles en éthanol à partir du lactosérum.

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• Publié par: bionour
• Publié le: 25 août 2012
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Extrait

Rev. Microbiol. Ind. San et Environn. Vol 5, N°2, p : 39-53 Eloutassi et al.,2011   PRODUCTION DES SUCRES SIMPLES À PARTIR DU LACTOSE ISSU DU LACTOSERUM N. Eloutassi 1,2 *, B.Louasté 3 ., M. Chaouch 1   1- Laboratoire de chimie de l'environnement, Faculté des sciences, Université sidi Mohamed ben Abdellah. Fès , 2- Laboratoire de Biotechnologie des Plantes Aromatiques, Faculté des sciences, Université sidi Mohamed ben Abdellah. Fès , 3- Laboratoire de Génétique Moléculaire, Faculté des sciences, Université sidi Mohamed ben Abdellah. Fès, * Auteur de correspondance : Eloutassi Noureddine.   Rue 10, n° 4 Bendebabe Jnane Lahrichi, Fès. Maroc. Tel: [phone]. E-mail: [e-mail]    RESUMÉ   Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la valorisation des rejets de l’industrie laitière. L'unité de transformation de Lait de la Ville Rabat/Salè rejette quotidiennement environ 7500 litres/jour de lactosérum. Par sa composition biochimique (lactose, protéines, vitamines), le lactosérum est un excellent milieu valorisable et devient un facteur de pollution redoutable. Du même, la production de bioéthanol par la fermentation des rejets de l’industrie laitière est très limitée. Le rendement et la tolérance en alcool par les organismes de la fermentation alcoolique du lactose issu du lactosérum sont très faibles. Alors, l'objectif de ce travail est de produire des sucres monomériques fermentescibles en éthanol à partir du lactosérum. Cette étude propose des traitements chimiques du lactosérum pour libérer le glucose et le galactose. Aussi, les conditions expérimentales ont été optimisées et les résultats des hydrolyses chimiques par le dioxyde de carbone, l'acide sulfurique et l'acide chlorhydrique ont été comparés. Cette étude a permis de mettre au point des procédés de valorisation des rejets de l’industrie laitière par des technologies propres par une diminution des facteurs polluants et pour la production de molécules fermentescibles. MOTS CLES : lactosérum, lactose, hydrolyse chimique.   39  

Rev. Microbiol. Ind. San et Environn. Vol 5, N°2, p : 39-53 Eloutassi et al.,2011

  ABREVIATIONS:DBO: Demande Biologique en Oxygène, DCO: Demande Chimique en Oxygène, L.V.R.S: Lait de la Ville Rabat/Salè.  

INTRODUCTION  Plus de 80% des ressources énergétiques mondiales sont principalement d’origines pétrochimiques. Les recommandations internationales engagent tous les pays à réduire les émissions de gaz à effet de serre. Ceci les oblige à se diriger progressivement vers des sources d’énergie locales et neutres en CO 2 (Zahedifar, 1996. Prévot, 2000. Abdili, 2009). La bioconversion des matières premières renouvelables tirées de la biomasse, comme les déchets agricoles et ligneux, en éthanol ou en autres combustibles peut présenter des avantages importants sur le plan environnemental et économique (Kim etal., 2000. Eloutassi, 2004. Glutz, 2009).

Les industries laitières produisent annuellement des centaines des millions de kilogrammes de lait et de ses dérivants. Cette transformation entraîne le rejet d'énormes quantités de résidus qui présentent un problème environnemental considérable (Gana et al., 2001. Jinjarak etal., 2006. Abdili, 2009). Les principaux rejets sont les eaux blanches, le lactosérum et le babeurre. La forte charge en DBO de ces rejets, supérieure à 50 g/L,   constitue un sérieux problème puisque son déversement direct aux stations d'épuration est non seulement coûteux mais surcharge les installations de traitement. Cependant, le lactose contenu dans ce milieu représente 90% de la charge en DBO, constitue un excellent substrat valorisable et devient un facteur de pollution redoutable (Marwaha, 1988. Talabardon, 1999. Bertrand, 2002. Glutz etal., 2009).

Par les propriétés des levures, le lactosérum peut être fermenté directement en éthanol mais le rendement est inférieur que la fermentation traditionnelle à partir du glucose (Coté etal., 2004. Talbot etal., 2005. Abdili, 2009). A cet effet, dans ce travail

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Rev. Microbiol. Ind. San et Environn. Vol 5, N°2, p : 39-53 Eloutassi et al.,2011   les déchets issus de la transformation du lait ont été traités et hydrolysés par voie chimique pour la production de sucres monomères. Ces sucres ont été ensuite utilisés comme source de carbone pour la production de bioéthanol par fermentation. L`optimisation des conditions expérimentales a été étudiée et les résultats des hydrolyses chimiques ont été comparés.   MATERIEL ET METHODES 1- Substrats   Le substrat est obtenu à partir de rejet de la grande industrie laitière de la ville Rabat/Salé. Ce substrat a été conservé à 4°C jusqu'à usage. Les expériences ont été aussi réalisées sur des solutions du lactose pures. Plusieurs concentrations du lactose reconstitué ont été obtenues par mélange de D-Lactose (Sigma-Aldrich Ltd) avec de l'eau distillée. 2- Hydrolyse par acide sulfurique, acide chlorhydrique et dioxyde de carbone Le substrat a été traité par l'acide sulfurique, l'acide chlorhydrique et par le dioxyde de carbone selon les techniques décrite par Coté etal., (2004) et Olsson et Hahn HB., (1996) . La concentration de l'acide, la température et le temps de traitement ont été optimisés par la méthode de planification des expériences d'après le procédé de Carlson R. and Nordahl A., (1993). 3- Dosage des paramètres de l'effluent Afin de déterminer l’impact des rejets de L.V.R.S. et confirmer la faisabilité et les résultats des traitements effectués, la composition du lactosérum, le pH, la DCO, la DBO 5  et le rapport DCO/DBO 5  avant et après les traitements ont été cherchées selon les techniques décrites par Coté etal. (2004) et Abdili (2009)..   41  

Rev. Microbiol. Ind. San et Environn. Vol 5, N°2, p : 39-53 Eloutassi et al.,2011   4. Dosage du lactose et des sucres simples Les sucres dans les différents milieux sont déterminés par la méthode de l'acide dinitrosalicylique (DNS) décrite par Miller (1969). Elle est basée sur la formation d’un chromatophore entre les extrémités réductrices des sucres et l’acide dinitro-salicylique  (DNS). Dans un tube à essai de 20 ml contenant 3 ml de réactif de Miller, on ajoute 2 ml de solution à doser. Après chauffage pendant 15 minutes à 100°C et refroidissement à température ambiante, on mesure l’absorbance à 640 nm. Une courbe étalon est préparée à partir d’une solution mère de 1g/l de glucose par des valeurs allant de 0 à 1g/l. La méthode phénol acide sulfurique est utilisée pour évaluer le spectre des sucres- monomères issu de l’hydrolysat(Dubois et al 1956).  

RESULTATS ET DISCUSSION Ce travail est devisé en deux phases présentées dans la figure 1. La première partie s'intéresse à hydrolyser les rejets filtrés de l’industrie de transformation de L.V.R.S. pour libérer des sucres simples. La deuxième partie étudiera la fermentation de l'hydrolysat pour la production de la bioéthanol. Cette deuxième partie est encore en rédaction.

1- Caractéristiques du lactosérum de transformation de L.V.R.S Plusieurs indicateurs permettront d’évaluer si un effluent peut être considéré comme polluant. Les tableaux I et II résument quelques paramètres de l'effluent de L.V.R.S. Dans le lactosérum, le lactose représente 90% de la charge en DBO ce qui constitue en même temps, un substrat valorisable et une menace réelle sur l’environnement. En conséquence, ces effluents de fromageries doivent subir un   42  

Protéines, Acides organiques,  Matière grasse  

Autres valorisations

Rev. Microbiol. Ind. San et Environn. Vol 5, N°2, p : 39-53 Eloutassi et al.,2011   traitement spécifique afin de réduire considérablement la charge organique avant d’être rejetés.  Rejet   s del’industrie de transformation du lait de la ville Salé (Perméat de lactosérum)    Lactos   e, Eau, Minéraux Filtration (Etude séparée)      Hydrolyse acide      Sucres monomères fermentescibles  (Glucose, Galactose)     Elimin   ation des inhibiteurs de la fermentati   on      Fermentation alcoolique      Distillation et déshydrations       Bio-Éthanol    

Phase I

Phase II

Figure 1: Processus de production d’éthanol à partir du rejets de l’industrie de   3 transform 4 ati   on du L.V.S.  

Rev. Microbiol. Ind. San et Environn. Vol 5, N°2, p : 39-53 Eloutassi et al.,2011   Tableau I: Caractéristiques physicochimiques de rejet de l'industrie de transformation du L.V.R.S. selon les techniques décrites par Coté etal. (2004) et Abdili (2009)   Type d`effluent pH Volume produit DCO (gl) DCO/DBO 5   par litre de lait Eaux blanches 5,5 à 6,2 3 à 4 2 à 3 1,3 à 1,4 Lactosérum 4,3 0,75 50 à 70 1.5 Eaux blanches + 4 à 4,5 4 à 5 10 à 12 1,7 à 1,8 lactosérum

  Tableau II: Composition de lactosérum de rejet de l'industrie de transformation du L.V.R.S. Constituants Lactosérum Références de la méthode de dosage et (g/kg)d’analyse   Matière sèche 62 Schuck P. etal., 2004 Lactose 400 Dubois 1956 ; Butylina S. 2007 ; Miller GL. 1969 Lajoie D., 1997 Bertrand M., 2002. Butylina S. 2007. Schuck P. etal., 2004

Protéines

Minéraux–  cendre Acides organiques Matière grasse

82.5

41

11

2,1

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Wee etal., 2005 ; 2006

Wee etal., 2005 ; 2006

Rev. Microbiol. Ind. San et Environn. Vol 5, N°2, p : 39-53 Eloutassi et al.,2011   Parmi les pratiques, la filtration a permet de séparer les composants présents dans le milieu. Les membranes utilisées ont des pores de différentes dimensions selon le substrat cherché. Par cette technique, les rejets de L.V.R.S. sont constitués essentiellement d’eau, du lactose, des protéines, des minéraux et de la matière grasse. Les résultats ainsi les références des méthodes de dosage et d`analyse sont présentés dans le tableau II.   2- Hydrolyse du lactose Le lactose est un diholoside (oudisaccharide), composé d'une molécule de β-D- galactose(Gal) et d'une molécule de α/β-D-glucose (Glc) reliées entre elles par une liaison osidiqueβ(1-4). Le nom officiel du lactose est le β-D-galactopyrannosyl(1-4)D- glucopyrannose. Il peut être symbolisé par Gal β(1-4) Glc.

Le lactose contenu dans le lactosérum peut être un bon substrat énergétique (Cormier etal., 1991, Morin etal., 1994, Coté etal., 2004). La transformation du lactose présente un grand intérêt pour l’industrie alimentaire. Lelactose doit d'abord être segmenté en présence d’une molécule d’eauen D-glucose et en D-galactose (Figure 2). L'hydrolyse peut être chimique par des acides ou bien biologique par voie enzymatique Thomet etal. (2005), Yan et Shuzo (2006).   45  

 

Rev. Microbiol. Ind. San et Environn. Vol 5, N°2, p : 39-53 Eloutassi et al.,2011   3- Hydrolyse par le dioxyde de carbone (CO 2 ) Dans les premières expériences nous avons étudié la faisabilité d'hydrolyser le lactosérum par le CO 2  dans différentes pressions ont été étudiées (2758, 4137, et 5516 kPa(g)) et entre les températures 180°C et 220°C (Figures: 3; 4; 5). Pour le contrôle, les expériences ont été exécutés en absence de CO 2  (Figure 4). Dans ces figures, nous avons noté une évolution de la concentration des sucres (lactose, galactose et glucose) après l'hydrolyse acide du lactosérum filtré par le dioxyde de carbone (CO 2 ). Les concentrations maximales sont obtenues après environ 15 minutes de l'expérience (Figures 3 et 4). D'où le lactose est converti en deux monosaccharides, le galactose et le glucose. Bien que dans la figure 3 la concentration du galactose soit 4 fois supérieure que celle du glucose (0.15 contre 0.04 M) à 15 min.

   

Figure 3: Hydrolyse du lactosérum à 200°C et 2758 kPa(g) par le dioxyde de carbone (CO 2 ), lactose (●), galactose (▲) et glucose (■).  

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Rev. Microbiol. Ind. San et Environn. Vol 5, N°2, p : 39-53 Eloutassi et al.,2011   La production du galactose est augmentée en diminuant la température, en atteignant une conversion maximale de 47% à 180°C (Figure 5). Les deux sucres sont complètement décomposés au-delà de 15 min. Pour le contrôle, la figure 4 représente l'hydrolyse du lactose constitué par CO 2 . C'est aussi, la formation des deux hexoses a été observée. En principe, le dioxyde du carbone a crée des conditions acidulants pour hydrolyser le lactose. Le CO2 dissous ne baisse pas le pH aux niveaux convenable pour hydrolyser le lactose. Par conséquent, une augmentation de la température était nécessaire pour tel hydrolyse. Cependant, à ces hautes températures l'hydrolyse de lactose a été observée même en absence de CO 2 . A haute température l'hydrolyse du lactose n'exige pas le traitement par CO 2  (Figure 4) on parle d'un traitement thermique. Aussi au pH naturel de la solution du lactose qui est approximativement 3.5 était adéquat pour catalyser l'hydrolyse à 200°C. Cependant, l'addition de CO 2  a diminué en outre le pH de la solution, donc augmenté le taux d'hydrolyse.

   

  Figure 4 : Hydrolyse du lactose constitué à 200°C et 5516 kPa(g) par le dioxyde de carbone CO 2  (Symbole sombre) et absence de CO 2  (Symbole clair), lactose (●,○), galactose (▲, ▽ ) et glucose (■,□).     47  

   

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    Figure 5 :Comparaison de la concentration du lactose (●,○), galactose (▲, ▽ ) et glucose (■,□) à 180°C, durant l'hydrolyse acide   par CO 2  à 4137 kPa(g) (Symbole sombre) et par 0.2 M   de H 2 SO 4   (Symbole clair).   De la même façon, l'hydrolyse du lactose a été observée sans l'addition d'un acidulant (Figure 4). Ce pendant, le taux de l'hydrolyse était plus rapide comparé à celui du lactosérum. Ce résultat était inattendu car le pH naturel de lactosérum (~5.0) est supérieur que le pH naturel des solutions du lactose pur (~3.5). La seule explication est rapportée à l`effet et l`activité des composants de lactosérum principalement les minéraux au moment de l`hydrolyse. Tels remarques ont été mentionné dans la littérature d`après Hobman (1984), Aoyama (1999) et Coté etal., (2004).     4- Hydrolyse par acides sulfurique et acide chlorhydrique Nous avons comparé l'effet de dioxyde du carbone avec l'effet de l'acide sulfurique (entre 0.15 et 0.5M) et l'acide chlorhydrique (entre 0.5 et 1M) sur l'hydrolyse   48  

Rev. Microbiol. Ind. San et Environn. Vol 5, N°2, p : 39-53 Eloutassi et al.,2011   du lactosérum. Dans les mêmes conditions, et pour fournir un pH de 3.7, nous avons ajouté 0.2M de H 2 SO 4  et 0.9M de HCl. Les résultats de cette expérience sont comparables à ceux produit par le dioxyde du carbone (Figure 5 et 6). Ces figures représentent des courbes typiques obtenues pendant l'hydrolyse. La concentration du lactose diminue, alors que les concentrations du galactose et du glucose augmentent.                   Figure 6 : Concentration du lactose (●), galactose (▲) et glucose (■) durant l'hydrolyse acide par HCl (1M) à 90°C.   CONCLUSION   Le procédé d'utiliser le lactosérum comme source de substrat a le mérite d’être dépolluant et valorisant par la production de molécules bioénergétiques fermentescibles en bioéthanol.Il est considéré comme une très bonne forme d’énergie renouvelable, propre et ne générant pas de gaz carbonique (CO 2 ) supplémentaire dans l’atmosphère. Ce genre de procédé peut aussi améliorer les revenus des unités industrielles des pays agricoles.

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