Brevet FR2465696A1 — publié le 19810327

La présente invention a pour objet des procédés de transfert mécanisé de substrats ligno-cellulosiques immergés dans des lisiers riches en populations bactériennes méthanogènes mésophiles ou thermophiles. La présente invention définit les dispositifs nécessaires à la préparation et l'introduction des substrats fermentescibles à la production continue de biogaz et à la récupération sélective des boues lourdes organohumiques d'une part, et des résidus fibreux ligneux de faible densité d'autre part. La présente invention définit les principaux dispositifs nécessaires à la mise en oeuvre de ces procédés. L'invention s'applique, principalement, à la valorisation énergétique de tous les substrats ligno-cellulosiques ou cellulosiques, non broyés et immergés dans un milieu liquide propre à la fermentation méthanogène anaérobie mésophile et/ou thermophile. Avant d'exposer les moyens et les résultats de la présente invention, nous préciserons certaines définitions et certains ordres de grandeur, et rappellerons sommairement les inconvénients des principales méthodes de fermentation méthanogène utilisées à ce jour. La filière de la fermentation méthanogene est une des formes de bioconversion de l'énergie solaire dont les principales étapes sont - production par photosynthèse de matière végétale (CHAMP) - récolte et accumulation de cette matière (TRANSPORT) - transformation biochimique en biogaz de cette matiere dans un "fermenteur" conçu à cet usage - récupération des substrats organo-humiques dégradés pour leur usage agronomique. Les principales filières de fermentation sont - le procédé discontinu ou le substrat est mis en fermentation sans être déplacé pendant une durée variant de 20 à 60 jours. Les productions journalières obtenues sont de l'ordre-de 0,4 à 0,7 m3 de biogaz par m3 de substrat sec dilué à lo %. - le procédé semi continu ou une partie du substrat "appauvri" est expul sée périodiquement tandis qu'un volume équivalent "potentiellement riche en biogaz" y est introduit. Les productions journalières atteignent 1 m3 de biogaz par m3 de cuverie. - les procédés continus où le substrat, essentiellement à l'état liquide, suit un cycle continu de biodégradation au cours de son passage dans le réacteur. Les productions journalières de biogaz peuvent atteindre 1,8 m3 par m3 de cuverie. Le premier procédé nécessite l'utilisation de plusieurs fermenteurs en raison de l'arrêt de la production gazeuse pendant les phases de vidange et de recharge. Parallèlement, il nécessite un stockage dans un gazomètre relativement volumineux. Le caractère discontinu a, en outre, l'inconvénient de ne pas conserver les conditions biochimiques garantissant la reproductibilité des pro dictions. Le troisième procédé, en continu, n'est actuellement utilise qu'en laboratoire en raison de la complexité des dispositifs necessaires à son bon fonctionnement. Par contre, le second procédé, qui fait l'objet de la présente demande, est en réalité le plus séduisant puisqu'il rassemble une série d'avantages - utilisation d'une seule unité de fermentation - repartition uniforme dans le temps des charges de maintenance - reproductibilité des conditions de production à condition que certaines précautions biochimiques soient prises. L'inconvénient majeur de ce procéde de fermentation semi-continu, reside dans la necessité de prévoir un dispositif, parfois complexe, de transfert des substrats biodégradables. Un des buts de l'invention est un dispositif simple de transfert des substrats garantissant un déplacement homogène et lent, propre à favoriser la biodégradation des matériaux durant leur séjour dans le fermenteur. Un autre but de l'invention, est d'assurer la dilacération des tiges ligno-cellulosiques entrant dans le fermenteur ainsi que de réaliser l'imbibition du substrat grâce à un dispositif de mise en immersion mécaniquement lié au dispositif de transfert précédemment défini. Un autre but de l'invention est de permettre le recyclage des jus de fermentation et le stockage des résidus humifères. L'originalité majeure de l'invention réside dans la mise au point d'un procédé échappant aux inconvénients des systèmes dits "piston", par l'absence de déplacement forcé des liquides et des systèmes dits "à vis sans fin" par la simplicité de construction et de fonctionnement du dispositif d'avancement. Les dessins annexes ci-contre illustrent, sans caractère limitatif, les caractéristiques de la presente invention - la figure 1 représente une vue en long suivant l'axe porteur - la figure 2 représente une-vue de dessus - la figure 3 est une vue en coupe de la trémie d'entrée du fermenteur - les figures 4 et 5 détaillent la structure de l'arbre pousseur. Les moyens caractéristiques de l'invention sont, tout d'abord, un dispositif simple (1) de transfert de matériaux ligno-cellulosiques, qui, introduits sans préparation préliminaire dans le fermenteur sont régulièrement avancés dans un canal de section circulaire (2) surmonté d'un bac réservoir jouant le rôle de gazomètre (3). Le biogaz se dégageant du milieu liquide passe à travers une série d'alvéoles (4) percees dans la partie supérieure du cylindre, pour être stocke sous une bâche étanche (5) (Brevet Midatra) endraillée sur un filin en nylon ou autre materiau de synthese. Le dispositif de transfert ou d'avancement est constitué d'un arbre (6) porteur d'une multitude d'ergots (7) orthogonalement disposés et coulissant le long de deux supports (8) placés aux deux extrêmités du cylindre de fermentation.L'arbre agent de transfert est actionne par un poussoir extérieur (9) au fermenteur, assujetti à un vérin, ou cric, reversible (10) ou encore à une prise trois points de type agricole. Les ergots sont placés le long de l'arbre par couple, alternés à 900. Leur forme correspond à la morphologie de la "queue de rat" et garantit une prise en charge du substrat dans le sens de l'avancement vers la sortie du fermenteur et, l'écartement, donc le décrochage, du même substrat lors du retour de l'arbre vers l'arrière du cylindre de fermentation. Le principe physique de ce fonctionnement repose sur la propriété naturelle du substrat à occuper, lentement et en l'absence de contrainte extérieure, le volume de liquide qui lui est offert. Le dispositif d'avancement fonctionnant une fois par jour, le substrat lignocellulosique se trouve donc naturellement accroché aux ergots et prêt pour un nouvel avancement. La distance entre deux ergots similaires est calculée en fonction du volume élémentaire que l'on veut periodiquement déplacer. La longueur d'avancement et de retour dépend du dimensionnement du fermenteur et du temps de sejour recherché. Le dispositif d'introduction (11) et de dilacération (12) du substrat est constitué d'une trémie (13) verticale trapézoidale, placée au début du fermenteur, par laquelle une quantité constante de résidus ligno-cellulosiques est régulièrement apportée. Un bouclier (14) fixé sur l'arbre précédemment défini, assure les deux fonctions de dilacération et d'introduction du substrat. La partie supérieure du bouclier occupe la section transversale de la tremie ; elle comporte une série de barreaux contendants horizontaux, de section triangulaire. Face au bouclier, la paroi de la trémie (15) est elle même renforcée par des barreaux de même caractéristique. La disposition géométrique garantit, lors de l'avancement du bouclier, un éclatement de la structure des tiges lignocellulosiques. La partie inférieure du bouclier est constituée d'une demi-couronne (16) semi-circulaire, reliée à l'axe par des rayons renforcés. Sa propriété est d'introduire le substrat dans la section utile du fermenteur sans provoquer de surpression hydrodynamique. Le réglage de l'avancement est realise par une plaque mobile (17) placée orthogonalement à l'axe, qui assure un freinage au droit de l'entrée du cylindre de fermentation, au voisinage de l'arbre pousseur. Le dispositif d'immersion du substrat est constitué d'un parallélépi pède de section (18) légèrement inferieure à la trémie. Solidaire de l'arbre pousseur par un câble coulissant sur des glissières (19), il assure la mise en immersion du substrat hors période de fonctionnement de l'arbre pousseur. Son rôle est de garantir l'humectation du substrat dilacéré ainsi que son imbibition par le jus bactérien méthanogène. Le dispositif d'évacuation du substrat biodégradé est constitué, d'une part, d'une trémie verticale (20) située en bout de fermenteur, par laquelle sortent les fibres ligneuses non dégradées ; quatre rails inclinés (21) à 450 facilitent la montée de ce résidu fibreux, d'autre part, d'une trappe d'évacuation (22), les boues organohumiques dont la densité est plus elevée. Cette trappe est installée dans l'axe du fermenteur, immédiatement sous le support de l'arbre pousseur. A chaque phase d'avancement, les boues naturellement portées vers le fond du bioréacteur, traversent la trappe et se deposent dans un sac (23) hermétiquement emmanché et déposé à l'extérieur du fermer.teur, au-dessus d'une fosse d'égouttage (24).Par des trous situés dans le fond du sac stockeur, les jus bactériens s'écoulent dans la fosse étanche placée sous le fermenteur. Un système simple de pompage (25), relié mécaniquement au dispositif d'avancement, assure le recyclage des jus bactériens. Le dispositif de remplacement d'un sac plein comporte une jupe souple solidaire de la trappe circulaire et un jeu de deux anneaux élastiques assurant chacun un pliage type guillotine. Le dispositif de réchauffage est constitué d'une série de canalisations placées dans le fond du fermenteur et alimentant trois bacs réservoirs jouant le rôle de stock thermique. Ces bacs assurent, en outre, un support stable au fermenteur cylindrique (26). L'alimentation en eau chaude provient du circuit de refroidissement d' un moteur thermique fonctionnant au biogaz. Le dispositif d'isolation thermique comprend un revêtement leger en stratifié, enrobant les parties sensibles du fermenteur. L'injection sous pression d'un isolant type urée formol, assure une protection thermique efficace grâce aux myriades de microalvéoles fermées remplies d'air, formées dans l'enceinte lors de l'injection. Le fonctionnement du fermenteur peut alors être thermoregule. Le dimensionnement de l'installation depend des caractéristiques de production recherchee. Par contre, la longueur de l'installation est directement déterminée par la vitesse de déplacement du substrat. Pour une biodégradation à 350C, le temps optimal de séjour est de l'ordre de 45 jours à compter de l'introduction dans la trémie. Le pas d'avancement journalier du substrat étant déter- miné par la géométrie de l'arbre pousseur, la longueur du fermenteur peut alors être calculée. Les travaux d'etude en laboratoire, donnent un avancement de 15 cm au droit de l'arbre coulissant dans un cylindre de 1,20 m de diamètre et long de 4 m. Ce deplacement est assure par un avancement de l'arbre de 25 cm. Pour une biodégradation à 45-500C (procedé thermophile), le temps de séjour est de l'ordre de 20 jours. Le déplacement de l'arbre ou la longueur du fermenteur doivent être modifiés par le facteur 2. Par suite, selon une caracteristique de l'invention, le dimensionnement du bioréacteur est fonction de l'installation de un ou plusieurs arbres pousseurs ainsi que de l'option mésophile ou thermophile retenue. REVEN DICATIONS z l.Procédé de biodégradation des substrats ligno-cellulosiques, caractérisé en ce qu'il comprend la dilacération, l'imbibition et l'immersion des substrats dans des lisiers riches en populations bactériennes méthanogènes, mésophiles ou thermophiles réalisant une fermentation anaérobie. 3 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé encre qu'il comprend, dans un récipient horizontal défini comme étant le fermenteur, qes moyens pour l'introduction, la dilacération, l'imbibition, i'immersion et l'avancement périodique des substrats au sein du milieu liquide représenté par le jus bactérien, agent de la dégradation. k 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un bouclier vertical avançant dans une trémie d'alimentation en substrats de telle sorte que la coopération entre l'avancement de ce bouclier et la résistance offerte par la paroi de la trémie située en visà-vis exerce une compression et un cisaillement du substrat ligno-cellulosique. ç 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qutil comprend un arbre horizontal muni d'une série de couples alternés d'ergots orthogonaux à son axe et soumis à un mouvement lent alternatif, de façon à garantir un avancement privilégié des substrats dans un sens correspondant à l'obtention d'une biodégradation maximale du substrat et une évacuation en fin de biodégradation. q - 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'introduction et de dilacération des substrats comprennent une trémie verticale, sensiblement trapézotdale placée au début du fermenteur et un bouclier fixé sur l'arbre susdit, la partie supérieure du bouclier occupant la section transversale de la trémie et étant munie d' une série de barreaux contondants horizontaux, de section triangulaire, tandis que la paroi de la trémie faisant face au bouclier est elle-mEme renforcée par des barreaux de même caractéristique, de telle sorte que l'avancement du bouclier assure un éclatement des tiges ligno-cellulosiques. 6 6e Dispositif selon la revendication 4, carac-- térisé en ce qu1il comprend une masse volumineuse, mobile verticalement dans la section d'entrée de la trémie d'alimentation et actionnée par le moyen d'avancement des substrats la position basse de cette masse volumineuse, obtenue hors période de manipulation, assurant le maintien en immersion des substrats fratchement introduits. 7. 7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu T il comprend un xrérin ou un cric réversible placé dans un étrier fixé à l'extérieur et à l'extrémité de l'axe du cylindre de fermentation, permettant ainsi l'avan cément et l'évacuation périodique des substrats ligne cellulosiques. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend, en bout de fermenteur, un moyen d'évacuation vers le bas des boues organohumiques et un moyen pour l'évacuation séparée, de préférence vers le haut, des fibres ligneuses non dégra dées. 9 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'égouttage des boues organohumiques et avantageusement de recyclage des jus bactériens ainsi séparés de ces boues, ainsi que des moyens pour la conservation à l'abri de l'air des composts organohumique humidifiés. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend,en vue du stockage du biogaz produit par la biodégradation, une boche souple étanche au gaz, endraillée par un filin d'acier ou de tout matériau de synthèse et recouvrant un bac réservoir situé à la partie supérieure du cylindre de fermentation et communiquant par des orifices avec celui-ci, l'étanchéité étant obtenue par effet de joint hydraulique. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que, en vue de la régulation de la pression du biogaz stocké, l'ourlet endraillé de la bâche est amarré à des ridoirs fixés aux parois du bac réservoir par des moyens procurant à la boche souple la mobilité verticale garantissant la continuité du stockage. 12. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 11 à la production de biogaz par biodégradation et fermentation anaérobie de substrats ligno-cellulosiques.