Brevet FR2537992A1 — publié le 19840622

La présente invention a pour objet un procédé perfec tonné pour la production de méthane par fermentation anaeroble d'un substrat organique fermentescible La production de méthane par fermentation anaerobie des déchets d'élevage sous l'action de différentes bactéries est bien connue.Les mécanismes réactionnels permettant la fabri cation du méthane ont fait l'objet de nombreuses études, parmi lesquelles on peut citer les travaux MoJg Mc Inerney et MP Bryant (Metabolic stages and Energetios of microbial anaerobic digestlon. Firstînternational Symposium on ANAEROBIE DIGESTION - University College, Cardiff 17-21 septembre 1979) et ceux de D.R Boone et M,P. Bryant (Applied and Envirommental Microbiology Sept. 1980 p,626-632). Il est maintenant admis qu'au sein du fermenteur la matière organique insoluble, la cellulose en particulier, est transformée tout d'abord par hydrolyse en matière orga- nique soluble puis que dans une première étape de fermentation dite acidogène cette matière organique est transformée, non seulement en divers acides gras, mais également en acétate et en hydrogène et gaz carbonique grace à la présence d'une population bactérienne mixte La deuxième étape, dite de methanogénèse met simultanément en oeuvre deux mécanismes principaux de fabrication de méthane à savoir la décarboxyla tion de l'acétate produit soit directement par fermentation de la matière organique, soit par transformation acétogénique (hydrogénation-deshydrogénatlon3 des acides gras au sein du fermenteur et réaction directe de l'hydrogène sur le gaz carbonique produits au cours de la fermentation Tous ces mécanismes expllquent la présence simultanée dans le gaz issu du fermenteur de méthane,de gaz carbonique, et d'eau. Cependant le biogaz produit qui. contient une forte proportion de C02 n'est pas touJours utilisable directement comme combustible et nécessite dans ce cas un traitement d'épuration. La présente invention a pour but de pallier cet inconvénient et de permettre la production d'un biogaz à faible teneur en CO2 utilisable directement et à valeur énergétique notablement augmentée. L'invention a pour objet un procédé de production de méthane par fermentation anaérobie d'un substrat organique fermen tescible dans les conditions habituelles de fermentation caractérisé en ce qu'on injecte dans le fermenteur lshydrogène moléculaire. Le substrat peut être d'origine animale, par exemple des lisiers, des fumiers ou des effluents d'abattoirs; il peut être également d'origine végétale par exemple des déchets de cultures telle que la luzerne, le topinambour, la canne à sucre, le maTs etc. , enfin il peut être d'origine industrielle et constitué par exemple d'effluents de laite- ries, de conserveries de l'industrie papetière etc. Il est clair au vu des exemples décrits ci-après, que l'hydrogène injecté dans le fermenteur réagit avec le C02 produit no tamment lors de la décarboxylation de l'acétate formé au. cours de la fermentation, et ceci selon la réaction bien connue La quantité d'hydrogène à injecter dans le fermenteur dépend de la pureté souhaitée pour le biogaz et donc de la quantlté de gaz carbonique qui serait produite en l'absence d'hydrogènec La quantité d'hydrogène injectée sera généralement comprise entre 10 et 5000 litres par m3 de biogaz produit, le volume de biogaz ne prenant pas en compte l'hydrogène résiduel qui est présent dans ce biogaz. Elle sera de préférence comprise entre 300 et 2500 1 d'hydrogène.par m3 de biogaz produit.Si l'on recherche un biogaz ayant une teneur importante en méthane sans consommation trop importante d'hydrogène, on injectera de préférence une quantité telle qu'elle représénte environ quatre moles d'hydrogéne par mole de C02 théoriquement produit. Naturellement le débit d'hydrogène injecté pourra etre ajusté en cours de fonctionnement du fermenteur selon la teneur en C02 du biogaz produit. I1 a cependant été constaté avec intéret que l'addition d'hydrogène dans les conditions opératoires de fermentation classique, entraînait la conversion du C02 présent avec une réaction complète, c'est à dire sans qu'il soit nécessaire d'ajouter un excès d'hydrogène. En outre, il a été constaté avec surprise que cette addition d'hydrogène qui augmente considérablement la pression partielle dthydrogène au sein du réacteur, n'avait pratiquement aucune influence sur le rendement de transformation du réacteur, alors que l'enseignement de l'art antérieur montrait que l'hydrogène en excès défavorisait de matière importante la dégradation des divers acides et esters gras présents, de par la création de conditions thermodynamiques défavorables, entraînant ainsi normalement un abaissement du rendement de transformation de la matière organique. Le procédé de l'invention est illustré par les exemples suivants: EXEMPLE I (comparatif) Un fermenteur fonctionne, en discontinu, dans les conditions expérimentales suivantes volume : 100 litres (total) substrat : fumiers de bovins 10 X matières sèches totales. température : 350C pH initial : 7,1 L'expérience est poursuivie durant 40 jours Les quantités cumulées de CH4 et de- produites ainsi que le pH du fermenteur sont indiqués dans le tableauI ci-dessous. TABLEAU I Jour : 1 5 10 20 30 40 CH4(l) 4,5 64 253 685 880 989 COB 10 111 303 648 648 819 926 pH : 7,1 7 7,15 7,25 7,2 La variation journalière du rapport wnX (en volume) CH4 + C02 dans le biogaz produit est représentée sur la figure 1(courbe 1). On peut constater que ce rapport se stabilise aux alentours de 50 %. EXEMPLE 2 Le même fermenteur fonctionne dans les conditions précisées à l'exemple 1 à la différence près que l'on injecte de l'hydrogène à un débit de 60 1/jourcorrespondant à 4 fois environ la production de biogaz de l'exemple précédent, le débit d'hydrogène introduit étant modifié journellement grace à un détendeur de précision pour étudier l'influence de la quantité d'hydrogène sur la pureté du biogaz produit (teneur en C02). Les quantités cumulées de CH4 et de C02 produites, le rapport en volume H2 injecté/biogaz produit, le pourcentage d'H2 dans le biogaz et le pH du fermenteur sont indiqués dans le tableau 2 ci-dessous. TABLEAU 2 Jour 1 5 10 20 30 40 CH4(1) 5,8 46 221 689 1186 1540 C02(1) 13 97,5 195 293 312 315 13 97,5 H2 inJec- 3,24 1,2 0,72 2,43 2,76 1,47 té (1) CH4+C02 produits (1) vol.H2 dans le 34,3 31,2 24 26,9 55 1 biogaz pH 7,1 7,5 7,9 8 La variation journalière du rapport CH4 (en volume) CH4 + 02 dans le biogaz produit est représentée sur la figure 1 (courbe 2).On peut observer que la teneur moyenne en CH4 du biogaz produit est de 83 et que ce rendement dépasse 90 % après vingt jours pour atteindre 99 % au delà du trentième jour. Il s'agit là pratiquement de méthane "pur". Le rendement en biogaz exprimé en m3 par tonne de fumier est de 6828 pour l'exemple 2 et de 70,8 pour l'exemple 7 comparatif On peut constater une amélioration considérable du rendement en méthane qui passe de 36,6 à 57,1 m3 de méthane par tonne de fumier il faut également observer que la quantité de calories nécessaire pour maintenir le fermenteur à sa température de fonctionnement (350C) est sensiblement inférieure à celle de l'exemple 1 et diminue à mesure que la fermentation se poursuit. Cet avantage du procédé selon l'invention provient vraisemblement du caractère exothermique de la réaction de réduction du C02 par l'hydrogène Il est clair que pour l'exploitation industrielle du procédé il sera particulièrement avantageux dButiliser de l'hydrogène produit sur le meme site provenant par exemple d'une unité de production de mélange acétonobutylique par fermentation REVENDICATIONS 1 - Procédé de production de méthane par dégradation anaerobie par voie biologique d'un substrat organique fermentes cible, mise en oeuvre dans les conditions habituelles de fermentation caractérisé en ce qu'on injecte dans le fermenteur de l'hydrogène moléculaire. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on injecte dans le fermenteur une quantité d'hydrogène comprise entre 10 et 5000 litres par mètre-cube de biogaz produit, ce volume de blogaz ne tenant pascomptede l'hydrogène résiduel présent dans le biogaz. 3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'on injecte de 300 à 2500 litres d'hydrogène par mètre cube de biogaz produit.