ingenieur process

1. La Distillerie Rivière du Mât, contexte

1.1. La Réunion - Contexte métissé

L’entreprise se situe à l’île de la Réunion. Celle-ci porte bien son nom puisqu’elle est la réunion de beaucoup d’éléments, parfois aux antipodes les uns des autres. Les habitants sont le fruit d’un brassage ethnique, culturel et religieux. Cette tolérance et entente entre des habitants si différents est surprenante et participe au climat social paisible qui y règne.

1.2. Environnement économique

La canne à sucre est l’épine dorsale de l’économie de l’île. Elle a façonné le paysage, l’histoire et la culture réunionnaise. Les cannes sont traitées par deux usines : celle de Bois Rouge (à Saint-André) et celle du Gol (à Saint-Louis). A chaque campagne, 2 millions de tonnes de cannes sont récoltés donnant 200 000 tonnes de sucres et 70000 tonnes de mélasse, dont sera tiré le rhum par fermentation et distillation.

Les rhums et alcools Réunionnais (120000 HAP/an) sont produits par 3 distilleries : la distillerie Savanna, la distillerie Isautier et la distillerie Rivière du Mât. Ces distilleries sont regroupées en GIE (Groupe d’Intérêt Economique) qui stocke exporte et met en bouteille l’alcool. Il commercialise une partie du rhum sous la marque « Charrette », qui est un mélange de la production des 3 distilleries. Les ¾ de la production réunionnaise sont donc exportés vers les marchés européens.
La Martinique, la Guadeloupe et la Réunion sont les fournisseurs privilégiés en rhum de la métropole. Ils bénéficient d’un régime de taxation spécifique 825 euros/HAP contre 1450 euros/HAP pour les rhums d’autres origines, pour un volume contingenté (17000 HAP pour la Réunion).

1.3. La distillerie

Le sucre et le rhum représentent 80% du CA du groupe Quartier Français. DRM produit 80000 HAP/an qui sont à 80% dirigés vers l’Europe. Les produits de DRM sont en grande partie destinés à l’exportation en gros vers des professionnels (utilisation en agroalimentaire).

C’est une entreprise à taille humaine, dont l'effectif est de 25 personnes.

1.4. Fonctionnement

L’activité a lieu deux fois par an, pour une durée de 3 mois (mi-Mars à mi-Juin) appelé la mini campagne et une durée de 5 mois (mi Juillet à mi décembre) appelé la campagne. Le reste du temps c‘est l’inter-campagne. La canne à sucre est récoltée à partir de début juillet, le sucre en est extrait dans les sucreries du Gol et de Bois Rouge. Très vite les premiers camions de mélasses arrivent à DRM. La campagne démarre. La mini-campagne a pour objectif de fermenter la mélasse restante de la campagne précédente. Durant l’inter-campagne, des travaux nécessaires à l’entretien et au développement de l’usine sont réalisés par le personnel permanent (une partie du personnel en campagne étant saisonnier) et des sociétés sous-traitantes.

2. L’atelier de fermentation de DRM

2.1. Les étapes principales de la fabrication du rhum

La fabrication du rhum comprend 3 étapes principales :

• dilution de la mélasse pour obtenir le moût,
• fermentation,
• distillation,

schéma simplifié de la fabrication du rhum

La distillerie comprend un atelier de fermentation et un atelier de distillation. Ici seront présentés 3 aspects de l’atelier de fermentation : - l’initial : avant le stage, - l’actuel : pendant le stage, dans lequel il nous faudra intégrer les paramètres clés des nouvelles cuves,

2.2. La fermentation

L’atelier de fermentation comprenait 4 cuves de fermentation en fibres de verre d’un volume utile de 63 m3 et 8 cuves de fermentation en fibres de verre de 70 m3 utiles ainsi que 4 cuves mères en inox de 25 m3 utiles. Toutes les cuves en fibre de verres sont ouvertes.

La première étape de la fermentation est l’ensemencement. Il consiste à la préparation préalable d’un levain composé de levures, ici Saccharomyces cerevisiae, dans des cuves mères. De l’air est diffusée dans les cuves mères (contrairement aux cuves de fermentation) afin qu’il y est production de biomasse par respiration. (voir théorie de la fermentation plus loin).

Préparation des cuves mères :

• Au démarrage, 10 kg de levures sont réhydratés dans le bac à levures, puis sont envoyés vers les cuves mères, contenant déjà du moût à une densité de 1050 (de sorte que la concentration en sucres n’excède pas 70 g/L et que la levure ne passe pas en métabolisme fermentaire) et de l’acide. Après 20h d’aération 2/3 de ce levain (15,5 m3 exactement) est incorporée dans les cuves de fermentation. Le 1/3 restant servira à la régénération d’une cuve mère totale. De l’engrais ((NH4)2SO4) est ajouté à hauteur de 0,084 g/L de levain, sous forme d’un sel d’une pureté de 21%.

• Après le premier envoi d’une cuve mère dans une cuve de fermentation, le pied restant (9,2 m3 exactement) est complété par ajout d’acide, de moût à une densité de 1130 environ, et d’eau (toujours dans l’optique de maintenir une concentration en sucres maximum de 70g/L). Il faut alors aérer pendant 9 h. De l’engrais ((NH4)2SO4) est ajouté à hauteur de 0,051 g/L de levain.

La différence de densité de moût entre le démarrage et la régénération s’explique par le fait que, l’installation ne possédant qu’un seul circuit de moût, il ne peut y avoir qu’une seule dilution de la mélasse. En effet pendant la régénération, des cuves mères sont remplies en même temps que des cuves de fermentation or celles-ci nécessitent un moût à 1130 g/L environ pour avoir une quantité de sucre d’environ 170 g/L en fermentation (La levure ne supportant pas des concentrations en sucres supérieures à 260g/L). Le pH est maintenu en dessous de 4,5 pour limiter les contaminations.

Les cuves de fermentation :

La fermentation dure entre 26h et 30h selon le produit désiré. Elles sont remplies d’abord par le levain puis par le moût à 1130 g/L environ (de façon à ce que la quantité de sucres dans la cuve se situe aux environs de 170 g/L). Aucun acide n’est incorporé dans la cuve de fermentation.

La densité est contrôlée, elle renseigne directement sur la quantité d’éthanol produite car plus il y a d’éthanol dans le milieu, plus elle diminue. En fin de fermentation, elle doit se situer aux alentours de 1050 kg/m3, on dit que la cuve est « chutée ». Le TAV (Titre Alcoolémique Volumique) est alors compris entre 7,5 et 9% en volume.

Le fonctionnement de l’atelier :

Les cycles de fermentation sont contrôlés par le débit de la colonne à distiller qui doit être alimentée en permanence. Les débits sont appliqués selon les produits et le temps de fermentation nécessaire :

Le débit de la colonne (ne pouvant dépasser les 25 m3/h) va fixer un temps de vidange pour chaque type de cuve de fermentation (CF), il conditionne ainsi tout l’atelier. Le temps de fermentation, lui conditionne la disponibilité de la cuve à un temps t. L’atelier doit donc répondre à ces deux paramètres importants.

Le Rhum traditionnel nécessite un temps de fermentation de 30h afin que le taux de non-alcools soit suffisant (au minimum 225 g/HAP). Le Flegme doit contenir un maximum d’alcool. Le Rhum léger doit avoir un taux de non-alcools bas (au maximum 120 g/HAP) donc son temps de fermentation est réduit à 26h.

Par exemple, en flegmes, une cuve est vidangée en 2h30, pour que toutes les cuves aient le même temps de fermentation, il faut les lancer toutes les 2h30. De la même façon, pour que les cuves mères aient le même temps de régénération il faut les lancer toutes les 2h30.

2.3. la distillation

La distillation a pour but premier de retirer l’alcool contenue dans le vin et donc de le concentrer. La distillation permet également de séparer les odeurs et saveurs agréables ou désagréables pour une recomposition ultérieure. Enfin, des réactions non négligeables (par exemple estérification, ou réaction de Maillard) s’y produisent et contribuent à la formation de nouveaux composés aromatiques. Toutes ces substances contenues dans le vin distilleront en fonction de leurs températures d’ébullition respectives et de leur affinité pour l’alcool et pour l’eau.

La distillerie possède une unité de distillation équipée d’une installation de recomposition permettant une formulation des rhums. La distillerie fonctionne avec 2 colonnes à distiller en série. L’installation est équipée d’un chauffe-vin dans lequel le vin est chauffé avant son introduction dans la colonne par les vapeurs de tête de la première colonne, ces dernières étant ainsi condensées. Le pied de cette même colonne est équipé d’un thermo-compresseur permettant de récupérer une partie des calories contenues dans la vinasse sortant à 105°C de la colonne.

3. Théorie de la fermentation

La fermentation étant le sujet central de mon travail à la distillerie, nous allons développer plus particulièrement cette étape de fabrication du rhum dans ce paragraphe, en se concentrant sur la théorie du métabolisme fermentaire de Saccharomyces cerevisiae.

3.1. Saccharomyces cerevisiae

La fermentation alcoolique est réalisée par de nombreux microorganismes (bactéries, levures) vivant de manière permanente ou occasionnelle dans des milieux dépourvus d'oxygène. En distillerie on utilise la propriété de certaines levures à transformer le sucre en éthanol.

La levure est un protiste* eucaryote* unicellulaire appartenant au règne fongique (champignons). La levure utilisée en distillerie est Saccharomyces cerevisiae. Il s'agit d'une cellule de forme ovoïde, d'une dimension de 8 à 10 micromètres, son pouvoir alcoologène* est de 17° (Navarre C. 2006).

3.2. Définition de la fermentation éthylique

La fermentation est une réaction biochimique consistant à libérer de l'énergie à partir de sucre. La fermentation ne nécessite pas d’oxygène (milieu anaérobie).

Bilan de la fermentation pour une mole de glucose

Elle se distingue, par son faible rendement énergétique, de la respiration cellulaire, qui nécessite, elle, de l'oxygène (milieu aérobie). La respiration produit 38 molécules d'ATP à partir d'une molécule de glucose, soit 19 fois plus que la fermentation, mais elle mobilise un appareil enzymatique plus complexe.

Le Glucose et le Fructose sont dans un premier temps phosphorylés, après la glycolyse, le glucose-6-phosphate (ou le fructose-6-phosphate) sont transformés en pyruvate. Cette molécule est une molécule pivot, elle permet à la levure d’emprunter la voie fermentaire ou respiratoire selon la présence ou l’absence d’oxygène (Salmon 1988). Lors de la respiration, l'accepteur final d’électrons est l'oxygène, alors que dans le cas de la fermentation, les électrons sont transférés à des composés des voies métaboliques, tels que le pyruvate entraînant la formation d'éthanol dans notre cas .

Selon les sucres, le mode d’action de la levure est différent : les hexoses comme le glucose et le fructose sont directement fermentescibles alors que le saccharose doit préalablement être transformé en deux oses par une enzyme spécifique, l’invertase, sécrétée par la levure.

C12H22O11 + H2O = C6H12O6 + C6H12O6

Saccharose Eau invertase Glucose Fructose

3.3. Rendement de la fermentation alcoolique

Le rendement maximum est de : 92/180= 0,511 g d’éthanol par g de sucre.

Cependant il a été établi que le rendement n’excédait pas 0,48 g/g. Ce qui démontre que tout le sucre n’est pas utilisé que pour la production d’éthanol. Il y a une production de biomasse (0,05g de levure produite pour 1g de substrat consommée) et de produits secondaires (tel que la glycérine à environ 3g/100g de sucre produits).

A noter que ce schéma représente les étapes qui suivent la formation du fructose-1,6-diphosphate (noté C6).

Cette forme de représentation est très intéressante car elle rend bien compte des phénomènes principaux observés lors de la fermentation alcoolique.

La première remarque est la suivante : dans la voie de formation de l’éthanol, un couplage est nécessaire entre la formation de l’acide phosphoénolpyruvique (PEP) et celle de l’éthanol. Dans ce cas, on peut légitimement se demander comment la réaction démarre puisque donneur et accepteur viennent du même substrat initial. Et bien c’est en fait la formation de glycérol qui dans un premier temps permet la réaction d’oxydation du 3-phosphate glycéraldéhyde en acide PEP (Pouyanne F. 2006).

Il apparaît alors que le glycérol pourrait se former en quantité importante dans le milieu de fermentation. Pourtant, le glycérol réellement formé ne représente que 8 à 10% de l’éthanol.

En effet, lorsque la fermentation a été amorcée, deux accepteurs se trouvent en concurrence et c’est CH3COH qui est le meilleur : il y a régulation. De plus, quand la concentration en éthanol atteint un certain niveau, on observe une rétro-inhibition sur l’action de l’enzyme intervenant dans la formation du glycérol. Tous ces éléments ont pour conséquence que plus de 90% du glycérol est synthétisé dans le premier tiers de la fermentation.

Enfin, lorsque le niveau d’éthanol atteint un pallier encore plus élevé, c’est l’inhibition totale : les sucres ne sont plus consommés.

3.4. Le rôle de l’oxygène dans la fermentation

On se trouve bien loin aujourd’hui des mots de Pasteur concernant la fermentation. Il déclara en effet « l’oxygène intervient dans la fermentation pour la gêner ».

Les connaissances actuelles des levures et de leur métabolisme montrent au contraire que l’oxygène est nécessaire en particulier en début de fermentation. C’est à ce moment que la croissance est la plus active. L’oxygène ne sert donc pas la respiration mais est indispensable à la synthèse des acides gras à longues chaînes intervenants dans les membranes des levures. Ainsi, les membranes permettront un meilleur transfert donc une meilleure transformation du sucre à une vitesse plus importante. Enfin, l’éthanol inhibera moins facilement des levures ayant été aérées en début de fermentation.

Dans le cas d’une anaérobiose stricte, ce sont des acides gras à courtes chaînes, toxiques pour la cellule, qui seront synthétisés.

D’un point de vue cinétique, on observera donc : - une première phase de couplage croissance/production d’éthanol, et - une deuxième phase de découplage avec stabilisation ou diminution de la biomasse et production d’éthanol.

On peut alors se demander pourquoi on peut aérer sans passer par un métabolisme respiratoire.

La réponse est simple : l’équilibre fermentation/respiration ne dépend pas que de la concentration en oxygène. Elle dépend aussi de la quantité de sucre.

On constate bien que pour des valeurs de concentration en glucose comprises entre 5 et 150 g/l, la fermentation est plus efficace dans le cas de l’aération (Navarre C. 2006, Heslot et Vladescu 1994).En fait, il faut atteindre le plus haut niveau possible en terme de population de levures avec un bon état physiologique (membranes), ainsi on prolongera la phase stationnaire et celle de déclin durant laquelle il y a aussi production d’éthanol.
A noter que cette aération n’est utile qu’en début de fermentation, lors de la phase de croissance. Une faible aération du milieu (20 mg/l de mout) favorise la survie des levures (De Miniac 1984).

3.5. Conduite de la fermentation

Outre l’oxygène, le glucose et l’éthanol, d’autres facteurs chimiques ou physiques influencent la fermentation alcoolique.

• Les besoins des levures
  

La levure est composée d’eau, de glucides, de protides, de lipides et de matières minérales. Tous ces composés sont donc indispensables à la survie et à la croissance des levures. Il faut donc maintenir une quantité suffisante d’azote, phosphore, sulfate et minéraux (essentiellement calcium et magnésium). L’azote est utilisé dans la synthèse de protéines. Cette synthèse protéique a une action directe sur le transport des hexoses dans la cellule (Salmon 1998). Le sulfate est nécessaire à la synthèse des acides aminés soufrés. Le phosphore quand à lui intervient dans les réactions bioénergétiques de la levure. Les minéraux sont indispensables au bon fonctionnement des transports cellulaires.

• Température
  

La température optimale d’activité des levures se situe entre 28 et 30°C. Ce facteur devra être contrôlé et maîtrisé lors de la fermentation, le rendement sucre-alcool y étant très lié, ainsi que la survie de la levure, compromise au-delà de 34°C.

• pH
  

Les valeurs classiques de pH lors d’une fermentation alcoolique sont de 4,5. Ces conditions correspondent à un développement optimal de la levure et limite les contaminations bactériennes. Mais dans les procédés de fermentation industriels on lui préférera l’acidité mesurée en g/L d’H2SO4, qui donne une valeur plus précise de la disponibilité des H+ dans la solution.

3.6. Les fermentations secondaires

Des populations bactériennes provenant principalement de la mélasse, ainsi que de l’eau de composition des moûts, se manifestent parallèlement et postérieurement à la fermentation alcoolique. Des fermentations secondaires bactériennes peuvent alors se développer.

Ces fermentations peuvent cependant être limitées par une pasteurisation de la matière première, par un fort ensemencement en levures, par l’utilisation d’une eau de dilution de qualité ou par des antiseptiques.

Le plus souvent, ces bactéries sont en nombre insuffisant pour créer de réels défauts mais elles contribuent considérablement aux propriétés organoleptiques du produit final (Pouyanne F. 2006).

Trois principaux types de fermentations secondaires peuvent être signalés :

• la fermentation lactique produit de l’acide lactique,
• la fermentation acétique produit de l’acide acétique, et
• la fermentation propionique transforme l’acide lactique en acide propionique et gaz carbonique.

Toutes trois sont concomitantes à la fermentation alcoolique.

3.7. Les contaminations bactériennes

Elles peuvent s’avérer gênantes lorsqu’elles prennent de trop grandes proportions par rapport à la quantité de levure, pour deux raisons :

• Les bactéries vont consommer une partie des sucres qui ne seront pas transformés en alcool, ce qui conduira à la diminution du rendement alcool/sucre,
• Elles vont produire de l’acétate d’éthyle, composé peu apprécié par le consommateur, puisqu’il apporte des notes de « dissolvant ».

Le dosage de l’acidité volatile constitue un moyen sensible pour apprécier l’activité des bactéries dans les milieux fermentaires. En particulier lorsque les cuves sont ouvertes, la flore bactérienne se développe à côté des levures. Pour limiter cela, il suffit que l’acidification initiale soit correctement réalisée, car une acidité élevée diminue l’activité des bactéries.

Il est important de préciser que des contaminations par des levures sauvages peuvent être observées (De Miniac 1989). Notamment, Brettanomyces qui est une levure dont l’aspect au microscope ressemble beaucoup à saccharomyces, avec une forme légèrement plus allongée. Elle supporte des acidités plus élevées que Saccharomyces, possède un métabolisme fermentaire beaucoup plus lent que Saccharomyces, et produit de l’acide acétique en grande quantité. Les conséquences immédiates d’une contamination, sont une diminution du rendement et une forte acidité du milieu.