Brevet FR2517696A1 — publié le 19830610

_ 1 _ Dispositif pour obtenir du sucre fermentescible à partir de déchets organiques La présente invention concerne un dispositif pour obtenir du sucre fermentescible à partir de déchets organiques tels que des déchets agri- coles ou forestiers, le sucre ainsi obtenu étant destiné à être trans- formé en alcool ou en méthane par fermentation. On connaît un dispositif de ce type comportant une cuve contenant une solution aqueuse d'une première enzyme, la température et l'acidité de cette solution étant réglées à des valeurs prédéterminées On ajoute ensuite dans la solution une poudre de déchets organiques, agricoles ou végétaux, pour former une suspension La première enzyme agit sur les déchets organiques de façon à les transformer par hydrolyse en un sirop contenant des sucres en solution, un de ceux-ci étant fermentescible Le dispositif comporte en outre un lit fixe formé d'une pluralité de pièces de céramiques poreuses dans lesquelles est immobilisée une deuxième enzyme On régle alors la température et l'acidité du sirop à d'autres valeurs prédéterminées, puis on fait passer le sirop à travers le lit sous l'action de la deuxième enzyme le sirop est enrichi en sucre fermen- tescible. Le dispositif décrit ci-dessus présente des inconvénients En effet ce système est relativement complexe De plus, la première enzyme est souvent maintenue dans le sirop et se trouve donc perdue Si l'on veut récupérer cette première enzyme, il est nécessaire de procéder avant passage à travers le lit fixe, à une ultrafiltration du sirop, ce qui constitue une opération co teuse Pour régénerer les pièces poreuses du lit fixe après épuisement de la deuxième enzyme, il est nécessaire de défaire ce lit, puis de le refaire, ces deux opérations étant relati- vement longues Le débit de passage du sirop à travers le lit est faible. Enfin la traversée du lit par le sirop peut s'effectuer à travers des canaux préférentiels ce qui nuit au rendement. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients. La présente invention a pour objet un dispositif pour obtenir du sucre fermentescible à partir de déchets organiques, comportant des moyens pour mettre en contact un liquide contenant en suspension des déchets organiques avec une première enzyme apte à transformer ces -2 - déchets en un mélange de sucres, ce mélange contenant un sucre fermentes- cible et des moyens pour mettre en contact le mélange avec une deuxième enzyme immobilisée dans une céramique poreuse, de façon en enrichir le mélange en surcre fermentescible, caractérisé en ce qu'il comporte une cuve contenant un bain liquide dans lequel est immergé une cérami- que microporeuse, la deuxième enzyme étant immobilisée dans cette céra- mique, des granulés microporeux de céramique en suspension dans le bain, la première enzyme étant immmobilisée dans ces granulés, un tube dont la paroi poreuse comporte un support tubulaire en céra- mique macroporeuse, une cloison étanche pour obturer hermétiquement une extrémité du tube, l'autre extrémité du tube étant reliée à une canali- sation de recyclage munie d'une pompe et aboutissant au dessus du bain, le tube étant immergé dans le bain et la pompe étant capable d'aspirer dans la canalisation la partie liquide du bain à travers la paroi du tube et de renvoyer le liquide aspiré dans le bain, des moyens pour verser dans le bain le liquide contenant les déchets organiques en suspension, les pores du support du tube étant capables de retenir, pendant l'aspiration, les granulés et les déchets organiques subsistant dans le bain, des moyens pour maintenir la température et l'acidité du bain contenant les granulés et les déchets organiques à des valeurs prédéterminées qui permettent d'une part la transformation des déchets organiques en un mélange de sucres sous l'action de la première enzyme et d'autre part l'enrichissement du mélange en sucre fermentescible sous l'action de la deuxième enzyme et des moyens commandables pour prélever le sucre fermentescible à la sortie du tube. Des formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Sur la figure est représenté une cuve 1 contenant un bain 2 formé 17696 -3- d'une suspension aqueuse de granulés microporeux 3 en céramique, par exemple en alumine gamma La grosseur des granulés peut être de l'ordre de quelques dizaines de microns Dans ces granulés est immobilisée une première enzyme apte à transformer les produits organiques en sucres La cuve 1 est placée dans le volume interne d'un four vertical 4 muni de moyens d'alimentation non représentés. Dans le bain 2 est plongé un tube en céramique 5 Une extrémité du tube 5 est fermée par une cloison étanche 6 Le tube proprement dit comporte un support tubulaire macroporeux 7 qui peut être en alumine alpha et dont les pores ont une dimension de quelques microns Sur la surface cylindrique interne de ce support est fixée une membrane tubu- laire microporeuse 8 par exemple en alumine gamma Les pores de cette membrane ont une dimension inférieure à 0,2 micron A l'intérieur des pores de cette membrane est immobilisée une deuxième enzyme A l'autre extrémité du tube est fixée une canalisation 9 traversant la paroi de la cuve 1 et mettant en communication le volume interne du tube 5 avec un vase d'expansion 10 Le vase 10 comporte une ouverture reliée par une canalisation 11 à l'entrée d'une pompe 12 A la sortie de la pompe 12 est branchée une canalisation 13 dont l'extrémité libre 14 est située au- dessus de la surface d'équilibre du bain 2 Le vase 10 comporte une autre ouverture raccordée à un tuyau 15 muni d'une vanne 16 dont l'ouverture et la fermeture est effectuée à l'aide d'un organe de commande 17 L'extré- mité libre du tuyau 15 est située au dessus d'un récipient 18 Un appa- reil de dosage 19, dont la sortie électrique est reliée à l'organe 17, est muni d'une sonde 20 pénétrant à l'intérieur du vase 10 Un capteur 21 du niveau du bain 2 dans la cuve 1 est relié à un organe 22 commandant l'ouverture et la fermeture d'une vanne 23 Cette vanne est placée en série dans une canalisation 24 dont une extrémité est située au dessus de la surface d'équilibre du bain 2 et dont l'autre extrémité est reliée à un réservoir non représenté Un agitateur à hélice 25 entraîné par un moteur 26 est plongé dans le bain 2 Enfin le dispositif comporte deux capteurs 27 et 28 mesurant respectivement la température et de l'acidité (p H) du bain 2. Le dispositif décrit ci-dessus et illustré par la figure fonc- tionne de la manière suivante. 17696 4 _ On met en marche le four 4 de façon à porter la température du bain, mesurée par le capteur 27, à-une valeur convenable prédéterminée. On ajuste ensuite le p H du bain, mesuré par le capteur 28, à un taux prédéterminé, par addition dans le bain d'acide acétique ou de soude diluée par exemple. Dès l'ouverture de la vanne 23, une suspension aqueuse d'une poudre de déchets organiques s'écoule dans le bain 2 par la canali- sation 24 La fermeture de la vanne 23 est commandée automatiquement par l'organe 22 dès que le niveau du bain 2, mesuré par le capteur 21, atteint la valeur désirée par l'opérateur. On met en marche le moteur 26 de l'agitateur de façon à rendre le bain plus homogène Sous l'action de la première enzyme immobilisée sur les granulés d'alumine, les particules des déchets organiques intro- duits dans le bain se transforment en un mélange de sucres qui entre en solution dans le bain pour former un sirop Ce mélange contient en particulier un sucre fermentescible, apte à être transformé en alcool ou en méthane par fermentation. On met en marche la pompe 12: les sucres en solution dans le bain 2 traversent les pores du support et de la membrane 8 du tube 5 vers le volume interne du tube dans le sens des flèches 29, alors que les granulés dialumine gamma et les particules des déchets organiques non transformés en sucre sont retenues dans le bain par les pores du sup- port 7 du tube 5. Le liquide aspiré dans le tube 5 arrive dans le vase d'expansion 10, puis est renvoyé dans la cuve 1 à travers le circuit de recyclage constitué par la canalisation 11, la pompe 12 et la canalisation 13. Au cours de la traversée de la membrane 8 du tube, les sucres sont mis en contact avec la deuxième enzyme immobilisée dans cette membrane. Il en résulte un enrichissement du sirop en sucre fermentescible. L'appareil de dosage 19 mesure le taux de sucre fermentescible dans le liquide présent dans le vase 10 Lorsque ce taux est supérieur à une valeur prédéterminée, l'organe 17 relié à la sortie de l'appareil 19 commande l'ouverture de la vanne 16 Le sirop enrichi en sucre fer- mentescible est recueilli dans le récipient 18. Lorsque le niveau du bain 2 descend en dessous d'une autre valeur -5prédéterminée, l'organe 22 provoque de nouveau l'ouverture de la vanne 23. Dans un autre mode de réalisation, la deuxième enzyme est immobi- lisée, comme la première enzyme, dans les granulés de céramique micro- poreux 3 Dans ce cas, le tube 5 ne comporte pas de membrane microporeuse 8 Le tube 5 sert uniquement à retenir les granulés et les déchets organiques subsistant dans le bain La deuxième enzyme agit alors direc- tement sur les sucres engendrés par l'action de la première enzyme dès la formation de ces sucres. Pour immobiliser la première enzyme et éventuellement la deuxième enzyme dans les granulés d'alumine gamma poreux, on met d'abord les enzymes en solution dans de l'eau, on règle le p H de la solution à une valeur convenable et on ajoute des produits stabilisants comme par exem- ple des ions Cae+ ou Na+ Puis on verse les granulés dans la solution et on agite le bain pour augmenter l'homogénelté de la suspension: les enzymes sont alors adsorbés sur les granulés Les enzymes non fixés peuvent être éliminés par lavage. L'immobilisation de la deuxième enzyme dans la membrane du tube poreux s'effectue en préparant d'abord une solution aqueuse de la deuxième enzyme et en réglant le p H à une valeur convenable On fait ensuite passer plusieurs fois la solution à travers la paroi du tube à l'aide d'un dispositif de pompage analogue à celui représenté sur la figure: les enzymes sont alors immobilisées dans les pores de la mem- brane On peut éliminer par lavage les enzymes non fixées. Pour augmenter la résistance mécanique de la membrane du tube, on réalise celle-ci avec de l'alumine gamma frittée Dans ce cas, on traite avantageusement le tube, avant immobilisation de la deuxième enzyme, avec un acide tel que l'acide phosphorique PO 3 H Ce traitement crée dans la membrane des sites actifs superficiels qui favorisent l'immobili- sation de la deuxième enzyme. Après une certaine durée de fonctionnement, l'élimination des enzymes désactivées immobilisées dans les pores de la membrane du tube peut s'effectuer par exemple en Chauffant le tube dans l'air à une température de l'ordre de 600 à 700 degrés centigrades. En principe, étant donné le prix relativement faible des granulés -6 - d'alumine gamma, il n'est pas rentable d'éliminer les enzymes désac- tivées en vue d'une nouvelle immobilisation d'enzymes Cependant, cette élimination peut être éventuellement réalisée par un chauffage des gra- nulés. Le dispositif décrit ci-dessus présente les avantages suivants. Ce dispositif est particulièrement simple, car il permet de réaliser, dans une même cuve, les deux réactions chimiques provoquées respectivement par la première et la deuxième enzyme Il présente une excellente tenue mécanique et dimensionnelle Comme il a été vu ci- dessus, il peut être facilement automatisé afin de rendre son fonction- nement continu. La première enzyme est utilisée jusqu'à désactivation, complète. La régénération des tubes poreux contenant des enzymes désactivées est simple et peu coûteuse. Le rendement des réactions enzymatiques est augmenté du fait que les produits de réaction sont extraits dès leur formation On sait en effet que les réactions enzymatiques sont inhibées par une élévation de la concentration en produits de réaction Dans le dispositif décrit ci- dessus, les sucres formés par la réaction provoquée par la première enzyme sont immédiatement traités par la deuxième enzyme, ce traitement s'effectuant directement dans le bain ou par par traversée de la membrane du tube; le sucre fermentescible résultant de la réaction provoquée par la deuxième enzyme est extrait du récipient 10 dès que la concentration en sucre fermentescible dépasse un taux prédéterminé. Deux exemples d'utilisation du dispositif selon l'invention sont décrits ci-dessous. EXEMPLE I Les déchets organiques à traiter sont constitués essentiellement par de l'amidon. La première enzyme est alors l'alpha-amylase qui transforme l'ami- don en un mélange de maltose et de glucose La réaction produite par l'alpha-amylase a un rendement optimal pour une température comprise entre 65 et 800 C et un p H de 5,5 à 7, en présence d'ions Ca++ et Na+. La deuxième enzyme est l'amyloglucosidase qui transforme le maltose en glucose La réaction a un rendement optimal pour une tempé 17696 -7 - rature comprise entre 50 et 650 C et un p H compris entre 4 et 5. Le bain 2 contenu dans la cuve 1 est maintenu, dans ce cas, à une température comprise entre 60 et 650 C, son p H étant compris entre 5 et 6. Bien qu'un tel dispositif permette d'obtenir des solutions de glu- cose à un taux de 35 g par litre, on se limite à une concentration de 15 g par litre En effet l'activité des enzymes commence à baisser sensi- blement au delà de ce taux. Un dispositif de ce type peut fonctionner pendant un mois sans addition d'enzymes avec un taux de transformation de un gramme d'amidon par heure et par gramme de granulés d'alumine gamma. EXEMPLE Il Les déchets organiques à traiter sont constitués essentiellement par de la cellulose. La première enzyme est la cellulase qui transforme la cellulose en un mélange de cellobiose et de glucose La réaction a un rendement optimal pour une température comprise entre 40 et 500 C et un p H compris entre 4 et 5. La deuxième enzyme est la béta-glucosidase qui transforme la cel- lobiose en glucose La réaction a un rendement optimal pour une tempé- rature comprise entre 35 à G 00 C et un p H compris entre 4 et 5. On règle alors la température du bain à 400 C et son p H entre 4 et 5. Un tel dispositif permet d'obtenir une solution de glucose à un taux de 7 g par litre Il peut fonctionner pendant 10 jours avec un taux de transformation de 10 mg de cellulose par heure et par gramme de granulés d'alumine gamma On peut augmenter le rendement en effectuant un traitement préalable de la cellulose par un acide dilué. Le dipositif selon l'invention peut être utilisé aussi pour le traitement des déchets à base d'hémicellulose. Le dispositif selon l'invention peut donc être appliqué au traite- ment de nombreux types de déchets agricoles, forestiers ou aquatiques, afin d'obtenir une solution sucrée qui peut être transformée par fermen- tation en alcool ou en méthane. 17696 REVENDICATIONS t/ Dispositif pour obtenir du sucre fermentescible à partir de déchets organiques, comportant des moyens pour mettre en contact un liquide contenant en suspension des déchets organiques avec une première enzyme apte à transformer ces déchets en un mélange de sucres, ce mélange contenant un sucre fermentes- cible -et des moyens pour mettre en contact le mélange avec une deuxième enzyme immobilisée dans une céramique poreuse, de façon en enrichir le mélange en surcre fermentescible, caractérisé en ce qu'il comporte une cuve ( 1) contenant un bain liquide ( 2) dans lequel est immergé une céramique microporeuse, la deuxième enzyme étant immobilisée dans cette céramique, des granulés microporeux ( 3) de céramique en suspension dans le bain, la première enzyme étant immmobilisée dans ces granulés, un tube ( 5) dont la paroi poreuse comporte un support tubulaire ( 7) en céramique macroporeuse, une cloison étanche ( 6) pour obturer -herméti- quement une extrémité du tube, l'autre extrémité du tube étant reliée à une canalisation de recyclage ( 11, 13) munie d'une pompe ( 12) et abou- tissant au dessus du bain, le tube étant immergé dans le -bain et la pompe étant capable d'aspirer dans la canalisation la partie liquide du bain à travers la paroi du tube et de renvoyer le liquide aspiré dans le bain, des moyens ( 23, 24) pour verser dans le bain ( 2) le liquide contenant les déchets organiques en suspension, les pores du support ( 7) du tube ( 5) étant capables de retenir, pendant l'aspiration, les granulés et les déchets organiques subsistant dans le bain, des moyens ( 27, 28) pour maintenir la température et l'acidité du bain contenant les granulés et les déchets organiques à des valeurs prédéter- minées qui permettent d'une part la transformation des déchets orga- niques en un mélange de sucres sous l'action de la première enzyme et d'autre part l'enrichissement du mélange en sucre fermentescible sous l'action de la deuxième enzyme et des moyens commandables ( 15 à 18) pour prélever le sucre fermen- 17696 -9- tescible à la sortie du tube. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième enzyme est immobilisée dans les granulés ( 3). 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi du tube ( 5) comporte une membrane ( 8) tubulaire intérieure en céramique microporeuse, cette membrane étant fixée sur la surface interne du sup- port macroporeux ( 7), la deuxième enzyme étant immobilisée dans cette membrane. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la mem- brane ( 8) du tube est en alumine gamma. / Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les granu- lés ( 3) sont en alumine gamma. 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un appareil ( 19) pour mesurer le taux de sucre fermentescible à la sortie du tube, lesdits moyens pour recueillir le sucre fermentes- cible étant commandés lorsque ce taux atteint une valeur donnée. 7/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un vase d'expansion ( 10) disposé en série dans la canalisation ( 11) entre le tube ( 5) et la pompe ( 12), ledit appareil ( 19) étant disposé de façon à mesurer le taux de sucre fermentescible dans le vase ( 10), lesdits moyens pour prélever le sucre fermentescible comportant une vanne ( 16) commandable disposée sur un canal de sortie ( 15) du vase d'expansion. 8/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un agitateur ( 25) disposé dans le bain ( 2) pour maintenir les granulés et les déchets organiques en suspension homogène dans le bain. 9/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la membra- ne ( 8) du tube ( 5) est réalisée en alumine gamma frittée, cette membrane comportant des sites actifs superficiels aptes à favoriser l'immobili- sation de la deuxième enzyme.