La production industrielle de la betterave

I) Introduction

En France 24 000 ha de champs de betteraves sont cultivés pour obtenir du bioéthanol. Environ 1 ha de betteraves permet de produire 6 000 à 7 000 L de bioéthanol.

Comment peut-on obtenir du carburant à partir de plantes? Il existe 2 types de plantes qui intéressent les fabricants de biocarburants :

- « Les plantes à huile » telles que le colza ou encore le tournesol.

- « les plantes à sucre » telles que la betterave ou la canne à sucre. Le sucre de la betterave sert à produire du bioéthanol pour qu’il soit par la suite mélangé à l’essence classique.

Le sucre est donc une des principales voies de fabrication de l’éthanol. Il peut être produit à partir de nombreuses plantes comme l’érable, le palmier dattier ou encore le raisin, mais les deux principales voies d’extraction sont la canne à sucre et la betterave sucrière.

La fabrication du bioéthanol à partir de la betterave se fait en deux étapes : la fabrication du sucre, ou plutôt de la mélasse obtenu au troisième jet, puis la fabrication de l’éthanol à partir de cette mélasse.

Schéma des principales étapes de fabrication du bioéthanol

II) Le sucre

a) Analyse des betteraves

Une fois que les betteraves sont arrivées à l'usine, on prélève un échantillon qu’on pèse immédiatement, puis on le nettoie avant de le repeser. La différence de poids entre la première et la seconde pesée permet de déterminer une "tare terre" (généralement 0,5% à 2%) et d'évaluer par conséquent le poids de betterave effectivement livré après nettoyage. Les racines de betteraves sont ensuite, pendant environ deux jours, stockées dans des silos. Pendant cette période, le métabolisme respiratoire de la plante continue de se faire, il faut donc qu'elle soit la plus courte possible afin d'éviter une trop grande perte en sucre.

Processus de fabrication du sucre à partir de betterave sucrière

Une tonne de betterave = 135 kg de sucre

Ensuite, on découpe les racines en "cossettes" de un à deux millimètres d'épaisseur, ainsi une plus grande surface de la racine est en contact avec l’eau chaude lors de la phase de diffusion. Ceci va permettre, au cours de la phase de diffusion, d'augmenter la surface de la racine en contact avec l'eau chaude et ainsi accroître la quantité de sucre récupéré. L’étape de diffusion consiste à expédier les cossettes dans un diffuseur où circule de l'eau chauffée à environ 70°C qui se charge en sucre en traversant les tranches. Après cette opération qui dure environ une heure, on obtient un jus de diffusion et des drèches (pulpes).

Jus de diffusion : Liquide à la sortie du diffuseur contenant entre 15% et 20% de saccharose et environ 1% à 3% d’impuretés.

Drèches ou pulpes : Résidus fibreux et humides qui sortent de la phase de diffusion. Ils contiennent alors moins de 10% de matière sèche. Pour être utilisé dans l’alimentation du bétail (leur utilisation principale), on faut les sécher.

On effectue un processus d'épuration (ou de purification) pour séparer le sucre des impuretés, après avoir extrait le jus. Cette étape se fait par chaulage et carbonatation. On ajoute du lait de chaux (chaulage) et du dioxyde de carbone (carbonatation) pour obtenir un précipité des impuretés. Ensuite on filtre le tout, le précipité devient alors le décantât et est utilisé en tant qu’amendement pour réduire l’acidité des sols.

Le jus obtenu après la purification va ensuite subir une étape de décoloration. Utiliser de la chaux entraîne une calcification du jus, pour éviter un encrassage du matériel utilisé lors des étapes suivantes, on procèdera à une élimination des ions calcium (Ca²⁺), cette opération de décalcification se fait par le passage à travers des résines d'échange d'ions. L'étape suivante est celle dite d'évaporation du jus, cela consiste à amener le jus à ébullition. Ainsi, il y aura un dégagement de vapeur d'eau et le jus sera plus concentré, sous forme de sirop qui contient 60% à 70% de saccharose. Ensuite ce sirop va entrer dans le processus de cristallisation, c'est-à-dire qu’il est mis dans une cuve sous vide à une pression d'environ 0,2 bar et maintenu à température inférieure à 80°C, ainsi le jus n’est pas caramélisé et l’eau restante s’évapore. Le sirop continue donc à se concentrer jusqu'à formation des cristaux. Pour accélérer ce processus, il est possible d’introduire des cristaux de sucre d’une taille de 5 à 10 microns appelé germe (comme du sucre glace) dans la chaudière (c'est l'étape du grainage). Pour contrôler le niveau de grossissement des cristaux de sucre et leur quantité, le mélange est agité continuellement et le sirop est déversé au fur et à mesure.

Le mélange (appelé masse cuite) est ensuite introduit dans des essoreuses pour supprimer l’eau restante. Cette eau (appelée égout pauvre) va subir un deuxième voire un troisième traitement, elle est donc renvoyé aux phases d'évaporation et de cristallisation. Les cristaux de sucre ainsi obtenu au premier jet sont lavés par une pulvérisation d’eau, ce qu’on appelle clairçage. On obtient alors 2 produits : l’eau qui est appelé égout riche et les cristaux qui sont appelés sucre de premier jet et qui contiennent 99,9% de saccharose.

Lors des deuxième et troisième traitements, le sucre encore présent est retiré par les mêmes processus. Le sirop final qui ne peut se cristallisé est qualifié de jet d'épuisement (mélasse).

La mélasse : La mélasse se présente sous la forme d’un sirop visqueux et épais et se reconnaît à sa forte odeur. Elle représente 3% à 6% de la quantité de matière première utilisée. Elle est obtenue grâce au troisième jet, c’est en effet le sirop final qui ne peut se cristallisé. Sa concentration en saccharose est variable, mais généralement comprise entre 40% et 50%. Elle est utilisée dans l’alimentation (quand elle subit une transformation) et dans l’industrie de la distillerie.

L’éthanol, ou alcool éthylique, de formule C2H5OH se présente sous la forme d’un liquide incolore et inflammable. Il a une masse moléculaire de 46,07 g.mol^-1, bout à 78°C et gèle à -112°C. L'éthanol ou alcool éthylique (C2H5OH) se présente sous la forme d'un liquide inflammable et incolore. Il est fabriqué à partir de produits biologiques contenant du sucre tels que la betterave sucrière (ou la canne à sucre) ou à partir de produit contenant de l’amidon pouvant être transformé en sucre, comme le mais. La betterave sucrière et la canne à sucre représentent 60% de la production mondiale d’éthanol.

Après le troisième jet de la formation du sucre, on obtient un sirop visqueux : la mélasse. C’est elle qui va être utilisé pour la fabrication de l’éthanol car elle contient beaucoup de sucre. On procède ensuite à une étape de fermentation, c'est-à-dire que les moûts* sont ensemencés avec une levure (de type Saccharomyces), pour pouvoir être transformer en éthanol. Ensuite, on concentre l’éthanol par distillation (l’alcool est séparé de l’eau par évaporation). A ce niveau, il est possible d’obtenir un produit d’une pureté d’environ 95,6% d’éthanol, le reste étant constitué d’eau. Si l’on veut obtenir un produit d’une plus grande pureté, il faut le faire passer par une étape de rectification qui est un enchaînement de phases d’évaporation et de condensation de l’alcool. Afin d’obtenir un alcool « absolu », on supprime le résidu d’eau grâce à un réactif du type baryte ou benzène dans une colonne de déshydratation. L’alcool final est alors pur à 99,98%.