Brevet FR2443504A1 — publié le 19800704

L'invention a trait à un procédé de préparation de méthane à partir de pulpes de betteraves, par fermentation sous l'action de micro-organismes anaérobies. Le méthane est le terme final principal de décomposition réductrice des composés organiques, sous la action de microorganismes anaérobies. Les premières applications des processus de fermentation anaérobie à la production de gaz combustible comprenant principalement du méthane ont porté sur la fermentation des fumiers d'animaux domestiques. Les industries sucrières produisent des masses de déchets organiques, susceptibles de fermentation, les glucides contenus dans les déchets fournissant un milieu de culture favorable au développement des micro-organismes. Un certain nombre de publications ont paru, relatives aux fermentations des bagasses, résidus de l'extraction du sucre des cannes à sucre. On peut citer: "Observations on fermentation of bagasse for methane fermentation", J.P. Shukla and K.N Vaish. Proc.30th Ann. Conv. Sugar Technol. Assoc. India 1962, 221-225, "Methane gas production. Anaerobie fermentation of hog droppings and agricultural waste materials" S.S Kuan and J.C. Shou (Taiwan Sugar, 1963 47 17-20), - "Production of biogas and biofertilizer from the by-products of sugar cane processing", J. Bartha, (Sharkara 1965.7 70-76 E) - "Utilisation of biogas in sugar industry." S.C. Gupta, J.P. Shukla and K.A. Prabhu (Indian Sugar 1967, 17. 675-678).- "Utilisation of byproducts and wastes from sugar factories by cellulosic fermentation" S.C. Gupta and J.P. Shukla (Proc. of 13th Congr.Int.Soc. Sugar cane technology 1968, 1912-1921). Par ailleurs un rapport du 27e Congrès de la Confédération Internationale des Betteraviers Européens: "Philosophie et buts de la recherche de l'American Crystal Sugar Company" Stan Bichsel Rapport N02 27e Congrès C I B E, 5-9 juin 1978, Copenhague, a présenté des travaux concernant la production de méthane à partir de la pulpe de betterave humide. La fermentation des déchets de sucrerie comporte deux étapes: digestion hydrolytique des polyholosides supérieurs insolubles (cellulose, hémicellulose, pectines...) sous l'action d'enzymes excrétées par des micro-organismes, ou exo-enzymes avec formation de polyoses inférieurs et de monoses solubles et de boues à haute teneur en composés minéraux, puis fermentations des oses solubles sous l'action de micro-organismes anaérobies, avec formation d'abord d'acides, acide acétique notamment, puis réduction des acides en méthane et bioxyde de carbone. Les micro-organismes anaérobies ont une croissance plus lente que les micro-organismes aérobies car l'énergie utilisable dans les réactions de catabolisme de la fermentation anaérobie est toujours plus faible que celle des réactions oxydantes de la fermentation aérobie. Aussi les procédés actuels mettent-ils en oeuvre une préfermentation d'une masse aérée sous l'action de micro-organismes aérobies qui prolifèrent rapidement au cours de laquelle la digestion hydrolytique se produit. Lorsque cette digestion hydrolytique est suffisamment avancée, on peut soumettre la masse prédigérée à une fermentation anaérobie. Mais la préfermentation aérobie conduit à une dégradation oxydante des matières organiques, dont le terme est la formation de gaz carbonique et d'eau, et par conséquent à un rendement final en méthane réduit. On divise couramment les micro-organismes de fermentation en mésophiles, dont l'activité biologique est maximale dans une gamme de température allant de 300 à 500C environ, et theSmophiles dont l'activité biologique est maximale dans une gamme de température allant de 500 à 750C environ. Dans l'état connu de la technique, la préfermentation est conduite dans des conditions favorisant l'action de micro-organismes thermophiles aérobies, tandis que la fermentation méthanique est effectuée dans des conditions favorisant l'action de micro-organismes anaérobies mésophiles (cf notamment Gupta et Shukla Proc. of 13th Congr. 1968, et Stan Bichsel Rapport 2 27e Congrès de la C.I.B.E.). Les travaux de la demanderesse ont montré que la fermentation anaérobie pouvait mettre en oeuvre des micro-organismes anaérobies thermophiles ou mésophiles et que les exo-enzymes produits par ces micro-organismes anaérobies provoquaient une hydrolyse suffisamment rapide des déchets organiques insolubles de pulpe de betterave, à condition que puisse se former une biomasse de micro-organisme perfusée par un substrat aqueux contenant des glucides dissous. L'invention propose donc un procédé de préparation de méthane à partir de pulpes et déchets de betteraves, par digestion hydrolysante sous l'action d'enzymes excrétées par des micro-organismes en milieu aqueux avec formation d'un substrat glucidisé et de boues minéralisées et fermentation consécutive anaérobie du substrat, caractérisé en ce qu'on dispose une biomasse anaérobie dans un premier digesteur, on fait circuler un substrat aqueux porté à une température favorable au développement de la biomasse en circuit fermé entre le premier et un second digesteur, on introduit les pulpes de betteraves vers le haut du second digesteur, et on recueille en partie haute des deux digesteurs les gaz de fermentation. En disposant la biomasse anaérobie à l'écart de la zone où se produit l'hydrolyse des pulpes, on évite que les micro-organismes soient dispersés dans la masse de pulpe et entrainés hors del'appareillage avec les boues minéralisées. La température favorable au développement de la biomasse se situe entre 300 et 500C environ lorsqu'on utilise une biomasse mésophile, et entre 500 et 750C environ lorsque la biomasse est thermophile De préférence la circulation de substrat est effectuée de bas en haut dans les deux digesteurs, de façon à éviter les tassements de matières à la base des digesteurs. De préférence également la température du substrat est réglée par réchauffage sur le circuit entre le second digesteur et le premier. La température du substrat est ainsi contrôlée au plus près de la biomasse où se produisent les échanges biologiques. Au cours du processus on évacuera les boues minéralisées en partie basse du second digesteur pour éviter une accumulation excessive. Egalement on prélèvera dans le premier digesteur une portion de substrat concentré en sous-produits de fermentation, en maintenant le volume de substrat en circulation par apport d'eau avec les pulpes dans le second digesteur. Ces purges de déconcentration évitent l'empoisonnement de la biomasse par les sous-produits de fermentation. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, a titre d'exemple, en référence au dessin annexé qui représente schématiquement une installation de production de méthane pour mise en oeuvre de 1 'inven- tion. Selon la forme de réalisation choisie et représentée, l'installation comprend deux colonnes 1 et 2, munies à leur partie supérieure de collecteurs de gaz 3 et 3'. Les colonnes 1 et 2 comportent respectivement en partie inférieure des injecteurs de liquide 10, 20, à leur base des vannes de vidange 11, 21, en partie haute des cônes rassembleurs de gaz 12, 22, pointe en haut. Des pompes de circulation 5 et 6 ont leurs aspirations qui débouchent respectivement des colonnes 1 et 2 à hauteur des canes rassembleurs 12, 22. La pompe 5 refoule dans l'injecteur 20, tandis que la pompe 6 refoule dans l'injecteur 10 à travers un réchauffeur 4 alimenté en vapeur par l'ajutage 4a.La colonne 1 comporte en outre un ajutage de purge 14 situé à la meme hauteur que l'aspiration de la pompe 5 on on a disposé sous la base du cône 12 un dispositif sépa- rateur 13, destiné à arreter les solides en suspension. La colonne 2 est équipée d'une trémie de chargement 23 comportant un couloir d'introduction 24 incliné qui pénètre en dessous du cone rassembleur 22 dans la colonne 2 en se terminant dans l'axe de la colonne. Une vis d'Archimède 24a est disposée dans le couloir 24, et un cQne disperseur 27 est situé dans la colonne 2 en dessous du débouché du couloir 24. Une vanne d'arrivée d'eau 29 est disposée audessus de la trémie 23. Les colonnes 1 et 2 sont remplies d'un substrat aqueux jusqu'à un niveau supérieur au débouché de pointe des cdnes rassembleurs 12, 22 ; une biomasse 15 de micro-organismes anaérobies thermophiles est disposée dans la colonne 1, tandis que de la pulpe de betterave 25 chargée dans la trémie 23, est introduite par la vis d'Archimède 24a dans la colonne 2 où elle est en suspension dans le substrat dans la zone 25'. Le substrat est mis en circulation en circuit fermé par les pompes 5 et 6, et porté à une température ajustée dans le réchauffeur 4, la circulation se faisant de bas en haut dans les colonnes. On notera que le dispositif séparateur 13 peut etre constitué par un décanteur lamellaire. Par ailleurs le réchauffeur 4 peut être remplacé par tout échangeur de chaleur convenable, à eau chaude par exemple. Schématiquement les pulpes 25 subissent une digestion hydrolysante dans la zone 25' de la colonne 2, sous l'action d'exoenzymes excrétées par les micro-organismes de la biomasse 15 et portées par le substrat de la colonne 1 à la colonne 2. La digestion hydrolysante coupe les longues channes des glucides insolubles des pulpes (notamment cellulose, hémicellulose et pectines) pour donner naissance à des glucides à channes courtes, solubles principalement des hexoses. Les glucides solubles entrainés par les pulpes sont simultanément libérés.Les résidus de digestion, constitués essentiellement de matières minérales insolubles, se rassemblent sous forme de boues 26 à la partie inférieure de la colonne 2.Les glucides solubles formés ou libérés par la digestion hydrolysante passent en solution pour enrichir en éléments nourriciers pour la biomasse 15, le substrat qui prélevé par la pompe 6 et porté dans le réchauffeur 4 à une température favorable à l'activi- té de la biomasse 15, est perfusé dans cette biomasse 15 par l'injecteur 10, avec une vitesse ascensionnelle réglée, de telle sorte que la biomasse 15 ne soit pas entrainée par le courant ascendant de substrat. Une vitesse réglée à 0,50 m/s environ convient généralement.Les micro-organismes de la biomasse 15 transforment les glucides du substrat en méthane et gaz carbonique à travers une chaine de réaction réductrice passant en avant-dernier stade par la formation d'acides, en majorité acide acetique, avec également des acides propanolques et butanoiques. L'activité biologique des micro-organismes donne naissance à des exo-enzymes qui diffusent dans le substrat et entraînées par le substrat passent dans la colonne 2 pour provoquer la digestion hydrolysante. On constate que la colonne 2 est le siège également de formation de gaz de fermentation, méthane et gaz carbonique, avec une certaine proportion d'hydrogène.Cette fermentation peut etre due à l'entratnement de micro-organismes de la biomasse 15 passant à travers le séparateur 13, à l'action directe d'exo-enzymes sur les glucides hydrolysés, et à l'action de micro-organismes qui se sont développés sur les pulpes. On évacue les boues de digestion 26 de la colonne 2 par la vanne de vidange 21, et l'on évacue les excès de biomasse et les boues 16 de la colonne 1 par la vanne de vidange 11, lorsque cela apparait nécessaire. Comme la transformation des substances dissoutes dans le substrat en méthane et gaz carbonique n'est pas complète, le substrat a tendance à s' enrichir en sous-produits de fermentation. Pour éviter l'empoisonnement de la biomasse par ces sous-produits de fermentation, notamment des acides, on procède périodiquement par la vanne 14 à des purges de déconcentration, en prélevant une portion du substrat riche en sous-produits de fermentation, que l'on remplace par de l'eau introduite par la vanne 29 dans la trémie 23, conjointement avec la pulpe 25. On utilisera de préférence des eaux résiduaires de sucrerie qui contiennent des résidus sucrés, et sont souvent chargées en bicarbonate de calcium qui maintient le pH aux environs de 7 en tamponnant le substrat. De façon classique, la biomasse 15 est constituée au départ en introduisant un "inoculum" porteur de souches de micro-organismes anaérobies mésophiles ou thermophiles dans la colonne 1, à partir duquel la biomasse se développe au cours d'une phase de démarrage où la fermentation s'établit progressivement. Cet "inoculum" peut autre une portion d'une biomasse prélevée sur une installation en fonctionnement ou sur une installation de traitement d'eau résiduaire de sucrerie. A l'origine l'inoculum sera choisi dans un milieu où se rencontrent des conditions favorables à la prolifération de microorganismes anaérobies spécifiques. On a choisi expérimentalement un compost de déchets de fabrication de sucrerie pour des essais avec une biomasse thermophile. Ce compost est formé à partir des déchets de lavage de betteraves, herbes, fanes, radicelles et débris de racines mélangés à de la chaux. Le compost utilisé a été prélevé en cours de stabilisation, deux ans après sa composition, de sorte que la prolifération des micro-organismes soit assez avancée,et n'ait pas commencé à décliner. Pour des essais avec une biomasse mésophile, on a utilisé de la boue prélevée dans une station de traitement anaérobie d'eau résiduaire de sucrerie. On va préciser les conditions opératoires dans les exemples suivants EXEMPLE 1 On utilise deux colonnes de laboratoire, en verre, de 250 ml, montées en circuit fermé avec circulation ascendante dans les deux colonnes. Dans la première colonne on introduit 150 ml d'une bouillie obtenue par dispersion de compost de déchets de fabrication de sucrerie à deux ans de stabilisation dans de l'eau résiduaire de sucrerie. Dans la deuxième colonne on introduit 15 g de pulpe de betteraves à 90 % de matières sèches dispersée dans 65 ml d'eau résiduaire de sucrerie désaérée. On complète le remplissage des colonnes, on établit la circulation, la vitesse d'ascension du substrat liquide dans les colonnes étant réglé à 0,5 m/s environ et on porte le substrat à une température réglée entre 65" et 700C. La fermentation démarre progressivement, pour devenir sensiblement stable au bout de 5 à 6 heures. On recueille séparément les gaz formés dans les deux colonnes pour les analyser. Lorsque la digestion apparait suffisante dans la deuxième colonne (liquide clair et sédimentation de boue à la base de la colonne) on déconnecte cette colonne et on recueille son contenu aux fins d'analyse, puis on la recharge comme à l'origine (15 g de pulpe à 90 % M.S. 65 ml d'eau résiduaire désaéree) et on remet en route l'installation. Les recharges sont espacées de deux à trois jours Au bout d'une huitaine de jours, on sépare tout le substrat pour l'analyser. On peut réutiliser la biomasse pour des cycles expérimentaux ultérieurs. On constate en analysant les gaz de fermentation que la proportion d'hydrogène dégagé est un peu plus élevée dans les gaz issus de la deuxième colonne dans les premiers temps du cycle. Le bilan de fermentation, basé sur le carbone, s'établit comme suit : Résidus non gazéifiés (dissous et solides) ... 41 % Méthane CH4 .................................. 30% Gaz carbonique C02 (dissous et dégagé) 29 % EXEMPLE 2 On utilise un appareillage semblable à celui de l'exemple 1. L'inoculum est constitué par de la boue de station de traitement anaérobie d'eau résiduaire de sucrerie. La température du substrat est réglée autour de 40 C. On opère en continu avec alimentation en pulpe de betterave fraîche à 22,7 % de matières sèches. En régime établi, on introduit 33 g/jour de pulpe (soit 7,4 g/j de matières sèches). La production de gaz s'établit à 3,65 1/jour de gaz contenant 50 % environ de méthane, soit environ 1,20 g de méthane par jour. Le taux de conversion du carbone en méthane est donc de l'ordre de 36 %. Le développement de la biomasse, en régime établi, se situe vers 0,05 % de la masse de la matière sèche introduite soit 37 mg/ jour, dans cet essai. Lors des purges de déconcentration on enlève donc une quantité de biomasse correspondante, en sorte de maintenir sensiblement constante la quantité de biomasse. On remarquera que la fermentation méthanique n'est pas spécifique de micro-organismes appartenant à des souches déterminées, mais que le méthane est le terme ultime des dégradations réductrices de matières organiques. On ne saurait donc limiter la portée de l'invention à l'usage de souches définies ou au choix d'un "inoculum" particulier ; la portée s'étend donc à l'utilisation de tout micro-organisme anaérobie thermophile ou mésophile susceptible de se développer dans un substrat issu de pulpe de betteraves. REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation de méthane à partir de pulpes et déchets de betteraves, par digestion hydrolysante sous l'action d'enzymes excrétées par des micro-organismes en milieu aqueux avec formation d'un substrat glucidisé et de boues minéralisées, et fermentation consécutive anaérobie du substrat, caractérisé en ce qu'on dispose une biomasse anaérobie dans un premier digesteur, on fait circuler un substrat aqueux porté à une température favorable au développement de la biomasse en circuit fermé entre le premier et un second digesteur, on introduit les pulpes et déchets de betteraves vers le haut du second digesteur, et on recueille en partie haute des deux digesteurs les gaz de fermentation, 2. Procédé suivant la revendication 1, où la biomasse est mésophile, caractérisé en ce quelea température du substrat est comprise entre 30 et 500C environ, 3.Procédé suivant la revendication 1, où la biomasse est thermophile, caractérisé en ce que la température du substrat est comprise entre 50 et 750C environ. 4. Procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la circulatzon du substrat est effectuée de bas en haut dans les deux digesteurs. 5. Procédé suivant une quelconque des revendicatiDn8 1 à 4, caractérisé en ce qu'on règle la température du substrat par re- chauffage sur le circuit entre le second digesteur et le premier. 6. Procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on évacue en partie basse du second digesteur les boues minéralisées. 7. Procédé suivant une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on prélève dans le premier digesteur une portion du substrat concentré en sous-produits de fermentation, et l'on maintient le volume de substrat en circulation par addition d'eau introduite avec les pulpes dans le second digesteur.