Méthodologie

• Les masses

  • la masse totale d'un fluide ou d'un solide : m en kg

  • la masse d'un composant A : mA en kg

• Les fractions massiques

  Pour un composant A, la fraction massique xA est définie par la relation :

  • mA = xA . m (3.1)

  La relation sera aussi utilisée sous la forme :

  • m = mA / xA (3.2)

  pour calculer la masse totale de matière connaissant la masse mA et la fraction massique xA de composant A

Dans cette opération, les betteraves sont lavées à l'eau puis découpées en cossettes.

La masse de betterave utilisée dans les calculs est la masse de plante contenant le sucre à extraire sans les quantités de terre et de pierre associées. Lors du lavage, les quantités de betterave et d'eau peuvent donc être considérées comme constantes.

Au cours de l'opération d'extraction, les cossettes de betterave sont mises en contact avec de l'eau chaude. Le sucre et les autres composés solubles contenus dans la betterave sont transférés vers la solution externe. En même temps, l'eau est transférée par osmose de la solution externe vers l'intérieur des cossettes.

Au cours de l'extraction, la quantité de sucre et de solubles sortant des cossettes est comparable à la quantité d'eau entrante. En conséquence, les masses de betterave et de solution externe peuvent être considérées constantes du début à la fin de l'opération d'extraction.

→ Critère de performance de l'opération : le pourcentage d'extraction du sucre

Fig 3.2 Schéma de l'opération d'extraction

Le procédé de fermentation du sucre par des levures en conditions anaérobies est une opération de transformation relativement complexe au cours de laquelle le sucre (saccharose) et la plupart des autres composés solubles (glucides, acides aminés et organiques) sont transformés en éthanol, autres métabolites (alcools supérieurs, esters), biomasse (levures) et CO2.

Pour le calcul des bilans matière de la fermentation, le processus microbien peut être simplifié en deux processus :

• la transformation du sucre en éthanol, autres métabolites, biomasse et CO2

• la transformation des autres solubles en biomasse et CO2.

Les stœchiométries des deux processus sont caractérisées par des rendements constants de conversion du sucre et des autres solubles au cours de la fermentation

→ Critères de performance de l'opération : les taux de conversion du sucre et des autres solubles

Fig 3.3 Schéma de l'opération de fermentation

Au cours du procédé de distillation, le milieu de fermentation est fractionné en un distillat enrichi en éthanol et en une solution résiduelle appelée vinasses.

• le milieu de fermentation préchauffé F est alimenté en continu dans une colonne à distiller

• la phase vapeur V enrichie en éthanol sort en haut de colonne et est condensée par réfrigération. Une partie L du liquide obtenu est retournée dans la colonne et le complément D (distillat) sort de l'installation

• la phase liquide appauvrie en éthanol L' sort en bas de colonne. Une partie V' est vaporisée dans un bouilleur et retournée en bas de colonne et le complément B (vinasses) sort de la colonne

• le procédé de distillation est optimisée en fixant les deux variables opératoires que sont le taux de reflux R = L/D en haut de colonne et le taux de reflux R' = V'/B en bas de colonne

→ Critères de performance de l'opération : les fractions massiques d'éthanol et le taux de récupération d'éthanol dans le distillat

Fig 3.4 : Schéma de l'opération de distillation

L'enrichissement du distillat en éthanol est limité par la formation d'un azéotrope entre l'éthanol et l'eau. Aussi le procédé est complété par une opération d'élimination d'eau au cours de laquelle le distillat est vaporisé puis traverse une colonne de tamis moléculaires qui adsorbent spécifiquement l'eau. En fin de cycle, les tamis sont recyclés par élimination de l'eau absorbée.

→ Critères de performance de l'opération : le pourcentage de récupération d'éthanol et la fraction massique d'éthanol et dans la phase éthanol déshydratée

Fig 3.5 : Schéma de l'opération de déshydratation de l'éthanol

Les pulpes appauvries en sucre sont traitées dans des presses mécaniques pour éliminer une partie de la solution interne. Les matières sortant de l'opération sont les pulpes pressées et un effluent liquide.

→ Critère de performance de l'opération : le taux de matière sèche des pulpes pressées

Fig 3.6 : Schéma de l'opération de pressage des pulpes

Les pulpes pressées sont séchées dans un sécheur rotatif par contact avec de l'air chaud.

Les matières sortant de l'opération sont des pulpes sèches et de l'air contenant la vapeur d'eau éliminée.

→ Critère de performance de l'opération : le taux de matière sèche des pulpes séchées

Fig 3.7 : Schéma de l'opération de séchage des pulpes

Les vinasses diluées sont concentrées dans un évaporateur continu à multiples effets (dans l'étude un triple effets) dans lequel l'évaporation se fait dans plusieurs étages successifs

• dans l'évaporateur 1, la quantité de vinasse entrante est fractionnée en une solution concentrée L1 et en vapeur d'eau V1 qui sert à chauffer le second étage

• dans l'évaporateur 2, la solution L1 est fractionnée en une solution L2 et en vapeur d'eau V2 qui sert à chauffer le troisième étage

• dans l'évaporateur 3, la solution L2 est fractionnée en une solution L3 et en vapeur d'eau V3

• les quantités de vapeur V1, V2 et V3 peuvent être considérées comme identiques dans les trois étages

→ Critère de performance de l'opération : le taux de matière sèche dans les vinasses concentrées en sortie d'évaporateur

Fig 3.8 : Schéma de l'évaporateur à triple effets