Brevet FR2483943A1 — publié le 19811211

La présente invention concerne un procédé pour produire des gaz combustibles à partir de la fermentation de ha- tières organiques en milieu aqueux dans un fermenteur anaérobie. Les installations actuelles de production de gaz combustibles dans des fermenteurs anaérobies sont généralement sujettes à de graves défauts d'instabilité de fonctionnement tenant notamment à des conditions de fonctionnement non stabiliséesen modes de fermentation acide ou basique. Les brevets français nO 858.900, nO 893.767 et nO 2.305.113 décrivent des procédés de fermentation obviant certains de ces défauts mais ne convenant que pour certaines matières premières organiques particulières. Les installations existantes, fonctionnant en mode continu ou surtout discontinu, ne permettent en général, même pour les installations à grande capacité, qu'une production limitée de gaz par jour et par unité de volume du fermenteur, généralement inférieure à 1 3 m de gaz par jour par mètre cube de fermenteur. La présente invention a précisément pour objet de proposer un procédé de production de gaz combustible à partir de matières organiques, utilisable en mode discontinu ou continu, permettant d'accroître grandement les débits de production de gaz par unité de volume du fermenteur et convenant à une large gamme de matières organiques de base. Pour ce faire, selon une caractéristique de la présente invention, le procédé comprend les étapes d'introduire les matières organiques de base dans le fermenteur avec un taux de dilution contrôlé en fonction du volume du fermenteur et à conduire la fermentation dans ce dernier en maintenant sensiblement stable le pH du milieu dans le fermenteur dans une plage comprise entre 6,8 et 7,2, de préférence voisin de 7. Selon une autre caractéristique de la présente invention, aux matières organiques de base introduites dans le fermenteur sont ajoutées des quantités contrôlées de matériaux organiques correcteurs, plus particulièrement du taux d'azote, de façon à tendre à obtenir, dans le milieu de fermentation, un rapport au moins apparent carbone/azote voisin de 25,7. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante faite notamment en relation avec les dessins annexés sur lesquels La figure 1 représente de façon schématique un fermenteur du type à action discontinue, pour la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention; et La figure 2 est un graphe comparatif des courbes de production de gaz dans le fermenteur de la figure 1 (II) et dans un fermenteur classique correspondant (I). Par rapport aux procédés de fermentation existants, le procédé selon la présente invention propose d'ajuster, de manière optimale les paramètres critiques de la fermentation, à savoir, d'une part, pour ce qui est de la production de quantités de gaz de combustion susceptibles d'être théoriquement obtenues, les taux d'alimentation des matières premières de base introduites diluées dans le fermenteur en fonction du cubage de ce dernier, c'est-à-dire la quantité de matière sèche des matériaux organiques introduits par unité de volume du fermenteur, et, d'autre part, le maintien, au moins à l'échelle statistique, d'un pH stable voisin de 7 dans le milieu de fermentation, ainsi qu'une faible concentration apparente des sels ammoniacaux dans ce milieu de fermentation. Ces caractéristiques sont atteintes en veillant tout particu lièrement-à à respecter, également au moins à l'échelle statistique, un rapport C/N carbone/azote de la matière première voisin de 25,7. En effet, pour obtenir une fermentation optimale, il faut éviter la dérive du pH dans le milieu de fermentation vers les modes de fermentation acide et basique et prendre en compte le fait que les microorganismes consomment en moyenne 30 atomes de carbone pour un atome d'azote, d'où le taux C/N susmentionné 30 x 14 = 14 25,71.A cet effet, conformément à la présente invention, à la matière première organique de base est ajouté de fa çon précise et contrôlée un matériau correcteur, plus particulièrement du taux d'azote, adapté aux paramètres intrinsèques de la matière première et choisi parmi le groupe comprenant les sucres, les farines végétales, l'amidon et les compositions amylacées, notamment. Par exemple, pour les matières stercoraires, le matériau correcteur sera de la farine de blé et, pour les topinambours, des tourteaux d'arachide. Par ailleurs, notamment lors des phases de démarrage de la fermentation il est prévu, conformément à la présente invention, pour maintenir le pH sensiblement neutre, d'ajouter régulièrement dans le temps des quantités dosées d'une base minérale ou organique plus ou moins diluée dans l'eau et/ou d'un acide minéral ou organique plus ou moins dilué dans l'eau.Enfin, pour les matières premières de base présentant ab initio un taux C/N optimal voisin de 25,7 et incluant de faibles quantités de sucres ou d'amidon, ces matières premières de base seront avantageusement soumises préalablement à une fermentation aérobie dans un fermenteur de dimensions moyennes, n'utilisant qu'un faible débit d'air et n'obérant pas les coûts globaux de production. Le procédé selon la présente invention présente ainsi une grande versatilité et peut être utilisé pour le traitement d'un grand nombre de matières organiques solides ou liquides, préalablement finement broyées si requis et diluées, telles que tous les produits agricoles depuis l'herbe jusqu'au bois, ainsi que tous les tubercules, les fruits et les graines, les déchets d'abattoirs et de conserveries de poissons, notamment les matières stercoraires, et toutes les déjections-.d'animaux, seules ou avec leurs litières, comme lefumier ou le lisier. En fonctionne la matière première prévue, et après détermination du débit journalier souhaité du gaz combustible et du volume journalier pouvant être introduit dans le fermenteur sans modifier la masse des microorganismes, on calcule à partir des taux carbone/azote C/N des matières de base le rapport des matières premières de base et correctrices entre elles. Ce rapport est fonction de la concentration choisie pour l'azote excédentaire dilué dans l'eau quittant le fermenteur et de la teneur en matière sèche de ces matières premières. Ainsi, pour une matière première de base constituée de tourteau 'd'arachide , le matériau correcteur sera de la farine de blé et-le rapport entre la matière première de base et le matériau correcteur sera de 1/1,7, convenant très bien pour une production importante de gaz combustible de l'ordre de 8 à 9 m3 de gaz par jour/par mètre cube de fermenteur dans une alimentation discontinue du fermenteur, par exemple trois fois par jour. En effet, pour la détermination des paramètres de départ, en posant TA = volume de matière première + Eau/ jour/mètre cube de fermenteur et C a la concentration en ma tière sèche de matériau organique par mètre cube de fermenteur, on a la relation : P (en kg) = Ca.TA-103, P étant ainsi la quantité de matière sèche utile maximale à introduire dans le fermenteur. Ainsi, pour une concentrationen matière sèche de ma tière stercoraire Ca = 0,10 et un taux de dilution TA = 0,10, la quantité de matière sèche par mètre cube de fermenteur sera de 10 kg. Pour les mêmes valeurs de C et de T on détermine a A par exemple que, en supposant le taux C/N = 25,71 (matière première sans "sucres"), la quantité de gaz combustible susceptible d'être obtenue est de 6 mètres cubes (pour le même taux de dilution TA, mais avec une concentration C a = 0,16, le cubage de gaz théorique serait de 9,6 m3 par mètre cube de fermenteur). Par exemple, avec une dilution de 20 % des matières stercoraires dans l'eau, un litre de matière première diluée ou matière de base introduite dans le fermenteur contient 85,3 grammes de carbone et 6,55 grammes d'azote. 1 kg d'amidon sec contient, par ailleurs, 444,44 grammes de carbone et environ O gramme d'azote. Soit x le nombre de litresde matière stercoraire et y le nombre de kilcs d'amidon à ajouter à cette dernière conformément au procédé selon l'invention.On a,avec les mêmes valeurs de Ca et TA que cidessus, la relation x . 0,2 + y = MS (matière sèche) = 10 kg (pour 1 m3 de fermenteur) , et x . 85,3 + y . 444,44 - x . x . 6,55 - C/N apporté et on doit veiller à obtenir C N apporté - N enlevé par l'eau = C/N fictif = 25,71 En choisissant N enlevé = 1 gramme par litre, on doit donc respecter la relation C N apporté - 1 x 100 litres 25,71, d'où la détermination de x et de y. On a reproduit à titre d'exemple sur le tableau suivant, les quantités x de matières stercoraires (en litres) et y d'amidon (en kg) pour diverses concentrations et taux de dilution avec un taux de 1.000 mg par litre d'ammoniac (Ce tableau ne tient pas compte des pertes d'eau dans le fermenteur). TABLEAU T C A a 0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,18 x 73,4 x 64,1 y y 3,31 y 1,57 0,16 x 73,5 x 65,2 x 57,0 y . y 4,49 y 2,94 y 1,39 0,14 x 71,58 x 64,3 x 57,11 x 49,9 y y 5,28 y 3,93 y 2,58 y 1,22 0,12 x 67,55 x 61,35 x 55,1 x 48,95 x 42,7 y 5,69 y 4,53 y 3,37 y 2,21 y 1,05 0,10 x 66,6 x 61,5 x 56,3 z 51,1 x 45t9 40,8 z 35,6 y 6,67 y 5,70 y 4,74 y 3,77 y 2,80 t 1841 y 087 On voit que pour les valeurs C a = 0,10 et T A = 0,10, les rapports respectifs sont x = 40,8 et y =1 ,84. La teneur en matière rapidement transformable en acide, qui doit avoisiner zéro pourra être diminuée dans le milieu de fermentation soit par une fermentation aérobie préalable, comme susmentionné,soit par l'adjonction régulière dans le temps d'une base organique ou minérale, l'essentiel étant de maintenir le pH du milieu de fermentation aussi voisin que possible de 7, et de tenir la concentration apparente de sels ammoniacaux aussi faible que possible, des valeurs relativement importantes de cette concentration de sels ammoniacaux pouvant amener à déterminer un taux de départ C/N inférieur à 25,7, par exemple de l'or- dre de 10. Ces conditions permettent d'obtenir une bonne stabilité de la fermentation et une grande production de gaz combustibles par unité de volume du liquide en fermentation. On a représenté sur la figure 1, un fermenteur discontinu modifié pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Ce fermenteur 1 comprend, de façon classique, une cuve 2 dans laquelle est disposé un panier réceptacle de matières organiques 3, la cuve étant fermée de façon étanche par un couvercle 4 pourvu d'une canalisation 5 d'évacuation des gaz produits, des moyens de chauffage régulés 6 étant prévus dans la cuve. Conformément à la présente invention, il est prévu pour la cuve un trop-plein 7 s'étendant au-dessus du niveau normal du liquide dans la cuve d'une hauteur h correspondant à la pression nominale du gaz produit.Dans le couvercle 4 débouche une conduite 8 reliée à un réservoir de matériau correcteur 9, par exemple une solution de farine etZou éventuellement d'un acide dans l'eau, lequel est débité à intervalles déterminés dans la cuve au moyen d'une pompe 10. Lors de l'ajout à débit régulier du liquide aqueux dans le haut du fermenteur 1 par la canalisation 8, le liquide sortant par le bas du fermenteur après le passage par le siphon 7 entraînera les sels inhibiteurs. Cette disposition permet de profiter de la légère agitation interne créée par le dégagement du gaz combustible. On a représenté sur la figure 2, les courbes de production comparatives entre le procédé selon la présente invention(II) et le procédé classique (I) utilisant un simple fermenteur à cuve fermée chargé une fois pour toutesen ma tière première .La partie a commune des courbes I et II représente la montée en puissance du fermenteur, avec essentiellement production de gaz riches en C02, durant un temps Tg qui, pour un fermenteur traditionnel est de l'ordre d'au moins deux semaines sans pré-fermentation mais qui peut être réduit, conformément à l'invention, à un ou deux jours avec pré-fermentation aérobie, à la suite de quoi, dans le fermenteur traditionnel, la courbe ss décroît progressivement pour fournir èn moyenne,sur une durée de l'ordre de 15 semaines,une quantité moyenne statistique (L) de gaz combustible de l'ordre de 1 m par jour par m3 de fermenteur, le sommet A de la courbe correspondant à environ 4 m3 par jour par m .Conformément à la présente invention, au point A de fin de la phase de production de CO21 on commence à introduire par la canalisation 8 un mélange dosé d'ami don et d'eau, ce qui modifie la courbe de production de gaz combustible D' comme représenté en II. La période de fin brutale de la production T correspond à environ deux semaines, mais on notera, statistiquement une augmentation considérable du débit de gaz combustibles produits à partir de la même quantité de matières premières, la quantité totale de gaz étant inchangée. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art, en particulier pour des installations à fonctionnement en mode continu. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour produire des gaz combustibles à partir de la fermentation de matériaux organiques divisés en milieu aqueux dans un fermenteur anaérobie, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes d'introduire dans le fermenteur des matières organiques de base avec un taux de dilution contrôlé en fonction du volume du fermenteur, et à conduire la fermentation en maintenant sensiblement stable, le pH du milieu de fermentation dans une plage comprise entre 6,8 et 7,2. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape d'ajouter aux matières organiques de base introduites dans le fermenteur des quantités contrôlées de matériaux correcteurs du taux d'azote. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesm atériaux correcteurs sont ajoutés aux matières organique s de base de façon à tendre à obtenir pour le milieu de fermentation un rapport carbone/azote voisin de 25,7. 4 - Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que les matériaux correcteurs sont choisis parmi les composés ou substances organiques comprenant les farines végétales, les sucres, l'amidon et les compositions amylacées. 5 - Procédé selon l'uneqaelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape d'ajouter temporairement dans le milieu de fermentation des quantités contrôlées d'une base minérale ou organique diluée. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape d'ajouter temporairement dans le milieu de fermentation des quantités contrôlées d'un acide minéral ou organique dilué. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour la fermentation de matières organiques incorporant de faibles quantités de sucre ou de compo sésamylacés, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape préliminaire de soumettre les matières organiques de base à une pré-fermentation aérobie avant de les introduire dans le fermenteur anaérobie.