Brevet FR2593171A1 — publié le 19870724

La présente invention concerne un procédé de compostage. Comme cela est connu, le compostage est une fermentation aérobie de matières organiques d'origine végétale qui aboutit à l'obtention d'un produit organique humique stabilisé qui peut être utilisé pour enrichir les sols. Suivant la nature des végétaux compostés, les caractéristiques des composts obtenus diffèrent. En particulier, le procédé selon l'invention s'intéresse au compostage des déchets viticoles tels que pulpe sèche et pulpe humide, mais également rafle de raisin, ces déchets étant compostés avec du fumier de mouton. Actuellement, la matière première de compostage dans ce domaine est la pulpe de raisin, résidu de distillation qui peut être obtenu sous deux formes : une forme sèche (10 % d'humidité) épépinée et broyée finement et une forme humide (60 à 65 % d'humidité) épépinée et broyée. Le compostage s'effectue en andains et dure 3 mois avec la pulpe sèche, et plus de 6 mois avec la pulpe humide. Le produit obtenu b partir de la pulpe sèche est de qualité supérieure à celui obtenu à partir de la pulpe humide. De ce fait, la pulpe sèche constitue le substrat par excellence qui est utilisé de façon préférentielle. Cependant, la pulpe sèche est d'un prix de revient de deux à trois fois plus élevé que celui de la pulpe humide ou que la rafle. L'utilisation plus importante de ces deux derniers substrats pourrait abaisser d'une façon très importante le coût du produit fini à condition toutefois de réduire notablement leur temps de compostage. La présente invention a plus particulièrement pour objet un procédé de compostage qui permet un gain de temps très important. Il s'agit d'un procédé de compostage de matières organiques d'origine végétale, caractérisé en ce que a) on prépare un tas de matières à composter contenant des matières organiques d'origine végétale et éventuellement des matières organiques d'origine animale b) on insuffle de l'oxygène dans le tas de matières à composter c) à l'apparition de la phase thermophile du compostage, on procède à l'aération mécanique régulière du tas d) l'aération mécanique est arrêtée avant la fin de la phase thermophile. De façon préférentielle, dans l'étape b) l'oxygène est insufflé sans que le tas de compostage soit démembré, ceci pour permettre l'établissement de la flore microbienne. Dans ces conditions, l'oxygène, sous forme d'air comprimé par exemple, est insufflé par l'intermédiaire de cannes perforées de façon que l'ensemble du volume du tas soit oxygéné. Les essais qui ont eté conduits systématiquement et qui sont reproduits aux exemples ont permis de mettre en évidence que ce type d'oxygénation était utile jusqu'au début de la phase thermophile. En fait, cette insufflation sera appliquée de préférence à partir du 2ème jour. L'aération mécanique est mise en oeuvre de préférence durant quelques jours, environ 5 jours, au début de la phase thermophile. Durant la phase d'oxygénation par insufflation d'oxygène, il convient de contrôler la température pour déterminer l'apparition de la phase thermophile mais également pour éviter les surchauffes locales ou temporaires. Il convient, en outre, de maintenir si possible l'humidité entre 55 et 45 % car le tas de compostage tend à se dessécher. L'un des éléments "clé de ce procédé est l'utilisation d'un inoculum microbien qui correspond au compostage effectué. L'inoculum microbien utilisé est, de préférence, obtenu par isolement de microorganismes au niveau des différentes phases du compostage ; ces microorganismes étant sélectionnés par la technique des transferts successifs permettant d'obtenir les microorganismes dominants dégradants de chaque phase. Ces microorganismes sont, en outre, choisis pour certaines de leurs propriétés dégradantes liées aux matières végétales à composter. On sait, en effet, que les parois cellulaires des végétaux sont essentiellement constitué de cellulose, d'hémicellulose et de lignine. Il s'agit de trois polymères à structure complexe dont les proportions varient avec l'age et la nature de l'espèce végétale. Le complexe lignocellulosique forme une ossature tridimensionnelle où les channes de cellulose sont entourées et protégées par de la lignine. L'ensemble de cette structure rend ses constituants peu accessibles b une attaque enzymatique. L'attaque enzymatique du complexe lignocellulosique constitue l'étape limitante de la dégradation des composés végétaux et en particulier du processus de l'humification biologique. D'où l'intérêt de choisir parmi les microorganismes sélectionnés par le procédé décrit ci-dessus ceux auxquels le système enzymatique confère un pouvoir ligninolytique et cellulolytique important. Or, il apparait que les phases thermophiles Il et III de compostage (comme cela sera explicité dans les exemples) présentent des caractéristiques intéressantes : - ce sont ces phases thermophiles qui induisent la plus grande diminution de la teneur en matières organiques (en pourcentage de la teneur en matières minérales) ; - le dosage de la lignine et de la cellulose montre que la flore microbienne présente une activité cellulolytique et ligninolytique importante ; - elles correspondent aux phases maximales de l'activité cellulolytique au cours de l'humification. En conséquence, le choix des microorganismes pour l'ensemencement va se porter sur ceux sélectionnés au cours des phases II et III. En particulier, la composition microbienne selon la présente invention comporte, de préférence, des souches choisies parmi Bacillus, Pseudomonas et Flavobacterium. Ainsi, la composition microbienne selon l'invention comporte, de préférence, les souches de : Bacillus subtilis 310.2, Pseudomonas 311 et Flavobacterium multivorum 320.3. Pour améliorer la symbiose, les microorganismes peuvent être associés à Bacillus 321.2, Pseudomonas 310 et Flavobacterium 321, ces trois souches présentant des activités intéressantes permettant d'activer le procédé d'humification. Cet inoculum bactérien peut comporter d'autres microorganismes, notamment des bactéries fixatrices d'azote atmosphérique telles que Azotobacter, ces bactéries devant être de préférence mésophiles et thermotolérantes pour supporter la phase thermophile. Ceci est possible puisque de tels microorganismes apparaissent naturellement durant le compostage. Ces microorganismes vont permettre, en fin de compostage, d'augmenter la teneur en azote du compost. D'autres microorganismes peuvent également être ajoutés pour la symbiose tels que Klebsiella et Sporocytophaga. L'inoculation doit être réalisée au début de la phase thermophile au cours du processus. Elle peut être effectuée à raison d'une concentration finale dans la matière à humifierde 106 cellules/g. Si on utilise comme support de l'inoculum la pulpe de raisin séchée broyée, l'évolution de la microflore au cours du compostage aéré montre une grande capacité de ces microorganismes à s'adapter et à se multiplier dans la matière végétale. En effet, le taux de croissance de la microflore au cours de la phase thermophile est augmenté de 36 %. Il faut noter que l'inoculation exerce un effet sur la phase de maturation du compost. Bien que le taux de décroissance soit le même, la quantité de cellules est largement supérieure à celle observée lors d'une humification aérée mais non activée. En effet, la biomasse est augmentée de 30 % ; l'effet de l'inoculation est donc durable. La propagation des microorganismes inoculés est mise en évidence par une augmentation de l'activité cellulosique au cours de l'humification. Cette activité présente deux maxima qui sont augmentés respectivement de 35 % et de 64 %. L'évolution du taux du rapport carbone/azote (C/N) reflète la dégradation de la matière organique. La mesure de ce taux montre que l'activation par inoculation des souches bactériennes sélectionnées augmente de façon très significative la biodégradation. Ce taux est abaissé b 11,1, au lieu de 12,6, pour un compostage sans inoculation. La mise en oeuvre des différents moyens mentionnés précédemment, en particulier l'oxygénation et l'utilisation d'inoculums microbiens particuliers, permet de réduire de façon très significative les durées de compostage tout en obtenant un produit de qualité identique à celui obtenu par compostage traditionnel. Les exemples ci-après sont destinés à illustrer d'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention EXEMPLE 1 Analyse des différentes phases de compostage de la pulpe sèche et de la pulpe humide Rôle de l'aération On a transposé à l'échelle du laboratoire le processus de compostage utilisé par llindustriel par l'utilisation d'un réacteur de 100 1 équipé d'un système d'oxygénation contrôlé. Ainsi, à partir de mini-compost, on a pu mesurer les paramètres classiques de compostage (température, pH, humidité, taux de C/N, oxygénation) auxquels on a ajouté la mesure par bioluminescence utilisant le système luciférine- luciférase de la concentration en ATP qui reflète la biomasse active. L'utilisation d'un mini-compost permet à 20 cm l'observation caractéristique d'un compostage classique temps de latence, montée brutale en température jusqu'd 600C, stabilisation en température, puis descente lente jusqu'à maturation du compost. La durée du compostage est de 9 jours et permet ainsi de réaliser plusieurs expériences rapprochées. Le pH varie de 7 (début du compostage) à 8,5 (3 ou 4 jours après) et se stabilise en fin de fermentation. Le taux d'humidité baisse légèrement indiquant que le départ d'eau durant la phase thermophile est en large partie (mais non totalement) compensé par la production d'eau au cours de la dégradation aérobie des macromolécules organiques. Le rapport C/N s'abaisse de 17 à 13. Il diminue plus rapidement dans la première moitié de la phase thermophile que dans la deuxième moitié. La diminution de ce rapport met en évidence la dégradation des macromolécules aboutissant au dégagement de C02. Les phases de biomasse activée lors du compostage ont pu être déterminées par la méthode de détermination de la concentration d'Adénosine triphosphate (ATP). Les méthodes classiques d'évaluation de la biomasse comme la mesure de la concentration en protéines et l'activité de diverses enzymes comme la phosphatase alcaline sont faussées par la présence de formes mortes ou inactives de microorganismes. Une méthode récente est le dosage de l'ATP afin d'estimer la biomasse totale active. Cette méthode est basée sur le fait que les cellules microbiennes contiennent une quantité relativement constante d'ATP et que cette molecule peut être dosée par la réaction luciférine-luciférase. La mesure quantitative d'ATP b des niveaux mêmes faibles, par bioluminescence, est relativement simple, rapide et sensible. Cependant, l'extraction de 1'ATP dans des échantillons naturels présente un problème certain. La méthode présentée ici est le résultat de l'essai de différentes méthodes et d'une mise au point qui a permis d'obtenir une détermination fiable (+ 6 8 d'erreur relative). La méthode d'extraction est réalisée à partir de 1 g d'échantillon en utilisant l'ultrasonication dans un milieu extractant qui est le diméthylsulfoxide (DMSO). L'extrait est stocké dans un tampon conservateur Gly/Mg EDTA, pH = 7,5, après congélation rapide. La mesure est effectuée de façon simple avec un kit commercial de réactifs pour détermination d'ATP et un bioluminomètre. La détermination de la concentration en ATP a permis de mettre en évidence 5 phases principales de développement de microorganismes (tableau I) de courte durée (de quelques heures à un jour), constantes, se retrouvant aux profondeurs de 10 à 20 cm. Les phases I et IV sont plus intenses et leur importance varie principalement en fonction du lot de pulpe utilisé. TABLEAU I PRINCIPALES PHASES DE COMPOSTAGE DE LA PULPE SECHE PAR LE FUMIER DE MOUTON (2 : 1) (Paramètres déterminés aux pics de biomasse) Phase Temps Température p! Microflore (jours) ( C) I 1,2 45 7,5 mésophile II 2,5 58 8 thermophile III 4 60 8,5 thermophile IV 6 54 8,9 thermophile V 8 à 9 25-30 8,9 mésophile (biphasique) EXEMPLE 2 Effet de l'aération L'aération par insufflation d'air toutes les 24 heures permettant un renouvellement total à l'intérieur du compost, fait apparaître plusieurs différences par rapport aux conditions non aérées. L'aération accélère donc le processus et conduit à un gain de temps pour la fermentation de 25 à 30 %. La température augmente plus rapidement et plafonne à des valeurs plus élevées (62 OC au lieu de 550C). Le rapport C/N diminue plus rapidement mais atteint les mêmes valeurs en fin de fermentation. Le pH augmente plus lentement mais atteint des valeurs comparables (environ 8,5). L'aération double la quantité de biomasse pour toutes les phases sauf la phase V (tableau II). TABLEAU Il Phase Vitesse de Quantité de biomasse consommation 02 (nmole d'ATPlg d'échantillon) (o 02/min) non aéré aéré I 0,02 38 110 II 0,10 25 110 III 0,30 50 140 IV 0,52 100 200 V 0,22 à 0,10 100 à 75 @ 60 à 30 La phase IV correspond à une demande très importante en oxygène (0,5 % d'O2/minute) qui annonce la fin du processus thermophile de compostage et la maturation du milieu. La phase V ne dépend pas de l'oxygénation et ne doit pas correspondre à une étape de dégradation des macromolécules organiques. Elle se situe à la fin de la fermentation et présente une microflore importante et variée. La consommation en oxygène diminue mais ne devient pas nulle. Elle est même plus importante que dans les trois premières phases. L'oxygène consommé dans cette dernière phase ne semble pas être utilisé pour le développement de la biomasse, mais plutôt dans des phénomènes d'oxydation permettant par exemple la synthèse des acides humiques. Dans des conditions d'aération, l'humification d'une matière organique préalablement stockée dans des conditions d'anaérobiose est fortement diminuée. L'absence de deux des cinq phases prévues met en évidence l'importance de la présence de certains microorganismes aérobies pour le bon fonctionnement du processus. En compostage industriel, l'aération toutes les 24 heures par insufflation ou par mélange permet un gain de temps de 30 à 50 %. A partir de ces deux exemples, on a pu montrer que le compostage de la pulpe de raisin est essentiellement un processus aérobie et qu'il convient de bien maîtriser l'oxygénation pour une bonne biotransformation de ces déchets comme cela est proposé dans le procédé selon l'invention. Notamment dans les deux phases finales, l'apport d'oxygène semble être particulièrement important pour la formation des acides humiques. Il apparaît que l'insufflation d'air est plus indiquée dans la première phase mésophile, alors que le mélange par retournement est plus efficace dans les phases ultérieures. Il a également été mis en évidence que le taux d'humidité élevé de la pulpe humide n'est pas le seul facteur responsable de sa mauvaise dégradabilité. La présence de certaines souches bactériennes semble être indispensable au bon déroulement du processus. On-a ainsi pu montrer que. le compostage de la pulpe sèche faisait apparaître cinq phases biotiques principales dont deux sont absentes (ou faibles) dans le compostage de la pulpe humide. Ce travail original sur les phases biotiques met en relief l'intérêt de l'utilisation d'un inoculum microbien dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Les exemples suivants ont pour but de permettre de sélectionner des souches microbiennes en fonction de leurs propriétés enzymatiques pour les utiliser à titre d'inoculum dans le procédé selon l'invention. EXEMPLE 3 Isolement des microorganismes à partir d'échantillons pré sélectionnés par phase Des échantillons de mini-composts de pulpe sèche ont été prélevés juste avant l'optimum des cinq phases et ont servi à l'ensemencement des premiers milieux de transfert. Des transferts successifs ont ensuite été réalisés avant l'isolement des souches (7 transferts). Cette technique qui permet de sélectionner les microorganismes dominants dégradant la pulpe de raisin a été mise au point au laboratoire. Les cultures successives ont été réalisées dans les conditions de pH et de température dans lesquelles les échantillons ont été prélevés. L'isolement montre que la sélection par phase et par transferts successifs permet l'isolement de microorganismes dominants représentés exclusivement par des bactéries et des actinomycètes. Cet isolement ne met pas en évidence de champignons dominants, ce qui pourrait être particulièrement le cas avec des composts démarrant à la neutralité pour finir à un pH relativement alcalin (pH 8,5 à 8,9). Par contre, il est caractéristique de la dégradation des résidus végétaux. En effet, au cours de la première phase, on note la présence d'une microflore dominante et variée due à la mésophilie et à la richesse initiale en sucres libres dans la pulpe de raisin. Les phases thermophiles possèdent au contraire une microflore beaucoup moins variée mais plus spécifique. La présence d'Actinomycètes et à un degré moindre d'entérobactéries caractérise la maturation du compost. Les parois cellulaires des végétaux sont essentiellement constituées de cellulose, d'hémicelluloses et de lignine. Il s'agit de trois polymères à structure complexe dont les proportions varient avec l'age et la nature de l'espèce végétale. Le complexe lignocellulosique forme une ossature tridimensionnelle où les channes de cellulose sont entourées et protégées par de la lignine. L'ensemble de cette structure rend ses constituants peu accessibles à une attaque enzymatique. L'attaque enzymatique du complexe lignocellulosique constitue l'étape limitante de la dégradation des composés végétaux et en particulier du processus de l'humification biologique. Ce problème reste résolu chez les microorganismes ligninolytiques et cellulolytiques grâce à un système enzymatique complexe. Les activités cellulasique et ligninolytique ont été recherchées et mesurées pour toutes les souches dominantes précédemment sélectionnées. La détermination de l'activité cellulasique a été déterminée tout d'abord par le test de la cellulose-azure (Poincelot, 1972) et la mesure sur filtre de papier par la méthode de Mandels (1976). La mesure de l'activité ligninolytique a été déterminée par la méthode de Janshekar (1982) avec de la lignine extraite de la pulpe de raisin. Ce sont les phases II et III qui laissent apparaître que des souches cellulolytiques et/ou ligninolytiques L'ensemble des souches sélectionnées au cours de ces deux phases sont rassemblées dans le tableau III. TABLEAU III SELECTION DE MICROORGANISMES DOMINANTS LORS DE L'HUMIFICATION BIOLOGIQUE DE LA PULPE DE RAISIN Cellulolytique Ligninolytique 310 Pseudomonas ++ 0 50 C 310.2 Bacillus subtilis +++ ++ II pH = 8,5 311 Pseudomonas 0 +++ 313 genre indéterminé 0 ++ 320.3 Flavobacterium 0 +++ 50 C 321 Flavobacterium ++ + III pH = 8,5 321.2 Bacillus 0 ++ 323 Bacillus 0 ++ D'autre part, ces deux phases ont des caractères intéressants - ce sont les phases thermophiles qui induisent la plus grande diminution de la teneur en matières organiques (en pourcentage de la teneur en.matières minérales) ;; - le dosage de la lignine et de la cellulose montre qu'elles possèdent une activités cellulolytique et ligninolytique importante , - elles correspondent aux phases maximales de l'activité cellulolytique au cours de llhumification. En conséquence, le choix des microorganismes pour l'ensemencement va se porter sur ceux existant dans les phases II et III. La détermination taxonomique a montré qu'il s'agissait Phase II : Bacillus subtilis 310.2 Pseudomonas 311 Pseudomonas 310 Phase III : Flavobacterium multivorum 320.3 Flavobacterium 321 Bacillus subtilis 321.2. EXEMPLE 4 Détermination des propriétés biochimiques des souches sélectionnées La mesure des activités cellulolytique et ligninolytique a montré que trois de ces souches possédaient des activités enzymatiques remarquables. C'est pourquoi on a comparé avec des activités enzymatiques de souches bactériennes reconnues pour leurs performances et qui ont servi de référence. Activité cellulolytique Activité enzymatique Activité spécifique dans l'essai par cellule (mg Glc libéré/h) (mg Glc libéré/h) - Bacillus 310.2 0,11 41 - Sporocytophaga myxococcoides (collection DSM 0,08 18 GBR) Activité ligninolytique Dégradation de la lignine après 10 jours de culture (%) - Pseudomonas 68 311 - Flavobacterium 66 320.3 - Rhodococcus erythropolis 30 (collection DSM, GBR) Les souches suivantes ont été déposées à la Collection Nationale de Cultures de Microorganismes de l'INSTITUT PASTEUR, 28 rue du Docteur-Roux, 75724 Paris Cédex 15, le 17 janvier 1986 - Bacillus subtilis 310.2, sous le n I-504 - Pseudomonas 311, sous le n I-505 - Flavobacterium multivorum 320.3, sous le n I-506. REFERENCES JANSHEKAR H. et FIECHTER A. On the Bacterial Degradation of lignin. Eur. J. Appl. Microbiol. Biotechnol. 14, 47-50 (1982) MANDELS M. ANDREOTTI R. et ROCHE C. Measurement of Saccharifying Cellulase. Biotechnol. and Bioeng. Symp. 6, 21-33 (1976) POINCELOT R.P. et DAY P.R. Simple Dye Release Assay for Determining Cellulolytic Activity of fungi. Appl. Microbiol. 4, 875-879 (1972) REVENDICATIONS 1) Procédé de compostage de matières organiques d'origine végétale, caractérisé en ce que a) on prépare un tas de matières b composter contenant des matières organiques d'origine végétale et dventuellement des matières organiques d'origine animale, b) on insuffle de l'oxygène dans le tas de matières à composter, c) à l'apparition de la phase thermophile du compostage, on procède à l'aération mécanique régulière du tas, d) l'aération mécanique est arrêtée avant la fin de la phase thermophile. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxygène est insufflé sans que le tas soit demembré. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'oxygène est insufflé par l'intermédiaire de cannes perforées qui. sont enfoncées dans le tas. 4) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on ajoute au tas un inoculum microbien contenant des bactéries à activité cellulolytique et ligninolytique. 5) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'inoculum est ajouté au début de la phase thermophile. 6) Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'inoculum bactérien contient des bactéries choisies parmi : Bacillus, Pseudomonas et Flavobacterium. 7) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'inoculum bactérien contient des bactéries choisies parmi : Bacillus 310.2, Pseudomonas 311 et Flavobacterium 320.3. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'inoculum bactérien contient, en outre, au moins une bactérie choisie parmi : Bacillus 321.2, Pseudomonas 310 et Flavobacterium 321. 9) Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que llinoculum contient, en outre, des bactéries fixatrices d'azote gazeux. 10) Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les bactéries fixatrices d'azote sont choisies dans le genre Azotobacter, mésophile et thermorésistant. 11) Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les matières organiques d'origine végétale sont constituées de pulpe de raisin. 12) Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les matières organiques contiennent, en outre, du fumier de mouton. 13) Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'inoculum est constitué de microorganismes sur un support de pulpe de raisin séchée et broyée.