Brevet FR2687166A1 — publié le 19930813

La présente invention a essentiellement pour objet un procédé de contrôle de la fermentation méthanique de matières organiques diverses. Elle vise également une installation pour l'exécution de ce procédé. Il a déjà été proposé de piloter des fermenteurs en utilisant des modèles mathématiques prenant en compte la diversité des matières à traiter ainsi que les fluctuations des comportements catalytiques des microorganismes. Il est également connu, pour piloter les fermenteurs, d'établir un modèle de fermentation anaérobie pour des substrats dilués ou de nature simple, mais pas pour des matières organiques concentrées ou complexes. Ces modèles peuvent intégrer une ou plusieurs populations de microorganismes. Ils peuvent prendre en compte ou non les équilibres physico-chimiques, l'effet inhibiteur du pH ou des acides gras volatils qui sont des intermédiaires métaboliques essentiels, tels que l'acide acétique. On connait par ailleurs des modèles mathématiques purement biologiques pour des substrats dilués, en une étape, basés sur la concentration en acétate, ou en deux étapes, à savoir acidogénèse et méthanogénèse, à partir de substrats simples, tels que le glucose. Ces modèles prennent en compte une inhibition de l'activité méthanogène par les acides gras volatils non ionisés, mais ils n'intègrent pas le pH comme variable d'état, en relation avec les équilibres physico-chimiques. On connait encore d'autres modèles mathématiques biologiques pour des substrats dilués de la méthanisation prenant en compte les équilibres physico-chimiques permettant ainsi d'intégrer le pH comme variable d'état et d'envisager son rôle inhibiteur. Toutefois, ces derniers modèles ne tiennent pas compte de l'effet inhibiteur des acides gras volatils non ionisés, tels que l'acide acétique. Mais, aucun des modèles ci-dessus n'intègre la combinaison des équilibres physico-chimiques, du pH comme variable d'état, et de l'effet inhibiteur des acides gras volatils non ionisés, et/ou ne prend en compte le cas des matières organiques concentrées ou complexes. On sait encore que le pilotage des fermenteurs industriels de méthanisation exige nécessairement un grand nombre de mesures et d'analyses physico-chimiques complémentaires et en particulier la mesure de - la quantité du biogaz produit et sa qualité (pourcentage de méthane et pourcentage en dioxyde de carbone), - le pH et la température, - la qualité des entrants et sortants traités, et - la teneur en acides gras volatils (AGV) du milieu de fermentation, et/ou le pourcentage d'hydrogène du biogaz produit. D'une manière générale, le pilotage des fermenteurs sur la base des modèles antérieurement connus n'est pas satisfaisant, en ce sens que les modèles ne sont pas ajustés aux conditions opératoires spécifiques du site d'implantation des fermenteurs. Aussi, la présente invention a pour but de remédier notamment à ces inconvénients en proposant un procédé qui permet de contrôler l'état de la fermentation méthanique, et ce sur la base d'un modèle spécial. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de contrôle de la fermentation méthanique de matières organiques dans au moins un fermenteur, et du type consistant à effectuer sur le fermenteur des mesures physico-chimiques, à traiter ces mesures dans au moins un calculateur permettant à l'aide d'un modèle de fermentation d'obtenir une variable caractéristique de l'état biologique du fermenteur, et à traiter cette variable pour en déduire une commande du fermenteur, caractérisé en ce que les mesures physico-chimiques précitées sont limitées à deux mesures, telles que par exemple pH et teneur en acides gras volatils, la variable caractéristique de l'état biologique précitée est l'activité biologique méthanogène, et le modèle de fermentation précité est ajusté en fonction de la biomasse présente dans le fermenteur et des matières organiques à traiter par celui-ci. Suivant une autre caractéristique de ce procédé, l'activité biologique méthanogène est exprimée par le calculateur sous la forme d'un taux de croissance spécifique (u) des bactéries méthanogènes de la biomasse du fermenteur. On précisera encore ici que le modèle de fermentation précité est ajusté à partir d'une expérimentation à échelle réduite qui est effectuée sur un échantillon de matière prélevé du fermenteur, et qui consiste à suivre automatiquement l'évolution dans le temps du pH, et la concentration en acides gras volatils dans le fermenteur ainsi que les quantités de méthane et de dioxyde de carbone produites. On comprend donc déjà que, dans ces conditions, on obtient une adaptation rapide et facile du modèle aux conditions opératoires du fermenteur sur son site d'implantation. Ce modèle de fermentation intégre la combinaison des phénomènes biologiques y compris l'effet inhibiteur des acides gras volatils non ionisés et des équilibres physico-chimiques dans le fermenteur avec le pH comme variable d'état. L'invention vise également une installation pour l'exécution du procédé ci-dessus et du type comprenant essentiellement au moins un fermenteur, des capteurs associés à ce fermenteur pour permettre des mesures physico-chimiques et au moins un calculateur traitant ces mesures à l'aide d'un modèle de fermentation, cette installation étant caractérisée en ce qu'audit calculateur, assurant grâce au modèle de fermentation la transformation des mesures physico-chimiques en une variable caractéristique de l'état biologique, est adjoint un autre calculateur assurant la commande d'un au moins des fermenteurs et en ce que ledit modèle est ajusté à la biomasse présente dans le fermenteur et au substrat à traiter par un dispositif d'expérimentation à échelle réduite comprenant essentiellement un fermenteur contenant un échantillon de matière prélevé du fermenteur cité en premier lieu, des capteurs associés audit fermenteur et reliés à au moins un calculateur fournissant les valeurs des paramètres permettant de calibrer le modèle de fermentation précité. Les fonctionalités des calculateurs précités sont réunies dans un seul et même calculateur. Ce dispositif d'expérimentation peut avantageusement être situé en un autre endroit que le site d'implantation du fermenteur. On précisera encore que les capteurs du dispositif d'expérimentation sont aptes à mesurer en continu le pH, les quantités de CH4 et de C02 produites et la concentration en acides gras volatils dans le fermenteur, tandis que les paramètres fournis par le calculateur précité sont - le taux de croissance spécifique méthanogène maximum, - la constante d'inhibition des bactéries méthanogènes, - la constante de saturation des bactéries méthanogènes, et - les rendements en CH4/biomasse, en C02/biomasse et en substrat/biomasse. Mais d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparatront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels - la figure 1 est un schéma bloc d'une installation conforme aux principes de l'invention ; - la figure 2 est une surface illustrant la relation entre l'activité méthanogène ju , le pH et vumax la concentration en acétate ; et - la figure 3 est une courbe représentant la production cumulée de méthane en fonction du temps. En se reportant à la figure 1, on voit une installation de contrôle de fermentation méthanique de matières organiques, selon cette invention, et qui comprend essentiellement un fermenteur F1 auquel sont associés des capteurs 10,11 pour permettre des mesures physico-chimiques, à savoir notamment une mesure du pH et une mesure de la teneur en acides gras volatils. Les capteurs 10,11 sont reliés à un calculateur C1 traitant ces mesures à l'aide d'un modèle de fermentation. Le calculateur C1, qui traite les mesures précitées et qui fournit une variable caractéristique de l'état biologique du fermenteur F1, est relié à un autre calculateur C2 qui traite cette variable pour calculer une commande à appliquer au fermenteur F1. On a montré en F2 un petit fermenteur de laboratoire qui peut être rempli avec de la matière organique du fermenteur F1, comme matérialisé par le trait pointillé entre F1 et F2. A ce fermenteur F2 sont associés des capteurs 12,13,14 et 15 eux-mêmes connectés à un ou plusieurs calculateurs C3 traitant les informations provenant des capteurs et fournissant au calculateur C1 les valeurs ajustées des paramètres caractéristiques du modèle de fermentation incorporé audit calculateur Ci. L'ensemble F2-C3 constitue un dispositif d'expérimentation à échelle réduite qui, comme on l'expliquera plus loin en détail, permet de suivre automatiquement l'évolution dans le temps du pH et de la concentration en acides gras volatils ainsi que les quantités de méthane et de C02 produites. Le petit fermenteur F2 est équipé des moyens nécessaires pour réaliser l'expérimentation à échelle réduite précitée. Ces moyens (non représentés) sont, notamment, un moyen d'introduction d'un substrat direct de la méthanogénèse, tel que l'acide acétique, des moyens classiques d'agitation, de chauffage, etc.... L'installation qui vient d'être décrite permet avantageusement de suivre le déroulement de la fermentation méthanique sans la nécessité de suivre le débit et la qualité du biogaz produit par le fermenteur F1, et cela en n'effectuant sur ce fermenteur que des mesures en nombre limité, à savoir essentiellement une mesure de pH et une mesure de la teneur en acides gras volatils.En outre, grâce au dispositif d'expérimentation F2-C3, on pourra ajuster facilement les paramètres du modèle de fermentation aux conditions locales (substrat, bactéries, conditions opératoires) régissant la fermentation dans le fermenteur F1. I1 faut également dire que l'information sortant du calculateur C1 est une information qui traduit l'état global de la fermentation et qui permet donc, via le calculateur C2, d'obtenir un contrôle de la fermentation dans le fermenteur F1. Ce contrôle ne pourrait être aussi efficace s'il était obtenu directement à partir des mesures physico-chimiques issues des capteurs 10,11. Ayant décrit l'installation de la figure 1, on expliquera maintenant son fonctionnement en rappelant tout d'abord quelques principes de la fermentation méthanique. La fermentation méthanique comprend 4 étapes - l'hydrolyse du substrat, l'acidogénèse, l'acétogénèse et la méthanogénèse. L'étape d'hydrolyse permet de transformer si nécessaire, les molécules complexes en molécules plus simples. L'acidogénèse transforme ces dernières en acides gras, alcools, dioxyde de carbone et hydrogène. L'acétogénèse réalise la transformation des produits de l'acidogénèse en précurseurs immédiats de méthane tels que l'acide acétique. La méthanogénèse réalise principalement la synthèse de méthane à partir d'acide acétique selon la formule simplifiée Selon l'invention, le modèle de fermentation incorporé au calculateur C1 et permettant de fournir une variable caractéristique de l'état biologique, tient compte du couplage de la croissance bactérienne avec la production de biogaz, de l'inhibition de la croissance des bactéries méthanogènes par un excès d'acide acétique non ionisé, et des équilibres acido-basiques des phases liquides et gazeuses. Il existe une relation étroite entre l'activité méthanogène instantanéeou, l'activité méthanogène maximum Zmax le pH et la concentration en acétate. Cette relation est [HS] = max # avec [H+].[S-] - Ka . [HS] = O KS + [HS] + [HS]2 [HS]+[S-] - [S] = O Ki où > i est le taux spécifique de croissance des bactéries méthanogènes consommant l'acide acétique, max est le taux spécifique de croissance maximum de ces mêmes bactéries, K. est la constante d'inhibition, K5 est la constante de saturation, [HS] est la concentration (g/l) en acide acétique non ionisé, [S] est la concentration (g/l) en acide acétique total, est est la concentration en protons [S-] est la concentration (g/l) en acide acétique ionisé. Par conséquent, les équations ci-dessus permettent, en connaissant les valeurs mesurées en ligne ou hors ligne du pH et de la concentration en acides gras volatils, tel que acétate, d'obtenir la valeur de l'activité méthanogène. Ainsi, pour des conditions de fermentation données, le modèle de fermentation permet de calculer la valeurs en fonction du pH et de la teneur en acides max gras volatils ou acétate. La figure 2 illustre la relation entre ces trois paramètres pour un substrat donné. Par conséquent, connaissant la valeur du pH et la teneur en acides gras volatils au moyen des capteurs 10 et 11, le calculateur C1 détermine le rapport max Ensuite l'information est transmise au calculateur C2 qui contient des consignes de conduite du fermenteur F1, de sorte que le calculateur C2 pourra agir sur divers organes du fermenteur F1, tels qu'une vanne d'alimentation par exemple. Lorsque l'ajustement du modèle de fermentation est nécessaire, en raison par exemple du changement du substrat, du changement des conditions opératoires du fermenteur, ou encore à l'occasion du démarrage d'une nouvelle installation, on utilisera le dispositif d'expérimentation à échelle réduite F2-C3 selon la procédure suivante. Cette procédure d'ajustement des paramètres du modèle nécessite au plus quatre essais en réalisant une gamme de concentration en acide acétique et de pH allant des conditions peu inhibitrices vers des conditions fortement inhibitrices des bactéries méthanogènes. A titre d'exemple, ces quatre essais sont réalisés en faisant varier la valeur initiale du pH de 6,5 à 7 et la concentration initiale en acide acétique par exemple de 1 g/l à 15 g/l. Les variations du pH intial sont obtenues par l'ajout dans le fermenteur d'acide chlorhydrique à 10% tandis que les variations de la concentration initiale en acétate sont obtenues par l'ajout d'une solution d'acide acétique ou d'acétate de calcium. Bien entendu, ces ajouts sont effectués dans le petit fermenteur F2 rempli au préalable avec de la matière prélevée dans le fermenteur F1. Le tableau ci-dessous résume par exemple les quatre essais réalisés pour un substrat donné, pour la validation expérimentale du modèle pH initial Concentration Etat de la fermentation en acide acétique (g/l) 6,5 1 non inhibé 6,5 10 inhibé 7 10 non inhibé 7 15 inhibé. Pour chacune de ces expériences en Batch, on dispose alors de courbes représentant, en fonction du temps, la production cumulée de méthane et de dioxyde de carbone dans le petit fermenteur F2, ainsi que les variations de pH et de teneur en acétate. La figure 3 représente à titre d'exemple une des courbes enregistrées lors de ces expériences. Les points représentent les valeurs mesurées. Sur la base des équations suivantes, décrivant la fermentation dans les conditions expérimentales, une méthode d'ajustement est utilisée, qui permet d'obtenir les valeurs des paramètres caractéristiques de ce modèle de la fermentation en minimisant l'écart entre les valeurs mesurées et les valeurs calculées par le modèle. Le trait plein de la figure 3 représente l'évolution simulée pour l'expérience après cet ajustement du modèle. (1) tHX . S - K . HS = O (2) HS + S - S = O (3) [@] . B - K . @@2d = (4) B + CO2d - IC = 0 (5) B + S - Z = O dX (6) --- = .X dt dS dX (7) --- = -R3 dt dt d CH4cum (8) = R1 .R3. .X dt dICP (9) = R2.R3. .X dt dZ (10) ---- = O dt Avec les équations intermédiaires suivantes HS = max . HS 2 V.KS + HS + KI.V CO2d @@ PCO2 = , CO2cum = CO2g - CO2ini ; V.KH PC02 @@@ CO2g = (N2ini + CH4) , IC=ICP- CO2cum Pt-PCO2 avec H : la concentration en ions H+, S : la quantité de substrat (acétate), HS : la quantité d'acétate non ionisé, S : la quantité d'acétate ionisé, B : la quantité de bicarbonates, K a : la constante d'acidité de l'acide acétique, Ko : la constante de dissociation des bicarbonates, CO 2d : la quantité de dioxyde de carbone dissous, IC : la quantité de carbone inorganique, Z : la quantité de cations, X : la quantité de biomasse, u : le taux de croissance spécifique de la biomasse, R3 : le rendement substrat/biomasse, CH4cum : la quantité de méthane produit cumulé, R1 : le rendement méthane/biomasse, ICP : la quantité de carbone inorganique dégagé, R2 : le rendement en dioxyde de carbone/biomasse, P C02 : la pression partielle en dioxyde de carbone dans le volume gazeux, P t : la pression totale du volume gazeux, C02cum : la quantité de dioxyde de carbone cumulé, Um : le taux de croissance spécifique maximum, K : la constante de saturation, s K : la constante d'inhibition, V : le volume du fermenteur de dispositif expérimental, K H : la constante d'Henry pour le dioxyde de carbone, CO2g : la quantité de dioxyde de carbone gazeux, CO2ini : la quantité de dioxyde de carbone initial dans la phase gazeuse, N2ini : la quantité d'azote initial, IC : la quantité de carbone inorganique. Les quatres premières équations algébriques traduisent les équilibres acido-basiques des deux couples suivants de constantes d'équilibres respectives K a D - acide acétique/acétate - dioxyde de carbone dissous produit/bicarbonate. La cinquième équation algébrique représente l'électroneutralité du milieu et introduit une variable supplémentaire Z, qui est l'ensemble des cations présents dans le fermenteur. Les variables d'état du modèle sont les suivantes : H , HS, S , B, C02d, X,S,CH4cum, ICP et Z. La valeur du rendement R2 du dioxyde de carbone sur la biomasse est fixé à 1. Les valeurs initiales du pH, des quantités en substrat S, en méthane et en dioxyde de carbone sont mesurées. Un calcul à partir des équations algébriques permet alors d'obtenir les valeurs initiales des quantités en acide acétique HS, en acétate S-, en bicarbonate B, en dioxyde de carbone dissous C02d, en carbone inorganique IC, ainsi que l'ensemble des cations dissous dans le fermenteur. Les constantes d'acidité de l'acide acétique Ka, du C02 dissous Kb, et la constante de Henry KH sont ajustées à partir des données expérimentales. Dans l'exemple présenté ici, les valeurs de ces constantes sont les suivantes Ka = 1,7.10-5M Kb = 1,7.10-7M KM = 0,065 M/atm Les paramètres biologiques du modèle sont le taux de croissance maximal , la constante de max saturation Ks, la constante d'inhibition KI, le rendement en méthane par rapport à la biomasse R1, et le rendement en substrat par rapport à la biomase R3. Ils sont identifiés à partir des données expérimentales. L'estimation des paramètres nécessite l'intégration du modèle et la connaissance des valeurs initiales des variables d'état. La biomasse initiale non connue et non mesurable est donc considérée comme un paramètre que l'on identifie également et que l'on exprime en unité arbitraire (UA). Toujours dans l'exemple présenté ici pour un substrat donné et en relation avec la figure 2, on donne ci-après les valeurs des paramètres caractéristiques de ce modèle de fermentation qui ont permis l'établissement de la surface de la figure 2 umax = 0,017 l/h K = 2,18.10 5M s -4 KI = 8,22.10 M R1 = 1M/M R3 = 350 mM /UA Bien entendu l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle de la fermentation méthanique de matières organiques dans au moins un fermenteur, et du type consistant à effectuer sur le fermenteur des mesures physico-chimiques, à traiter ces mesures dans au moins un calculateur permettant à l'aide d'un modèle de fermentation d'obtenir une variable caractéristique de l'état biologique du fermenteur, et à traiter cette variable pour en déduire une commande du fermenteur, caractérisé en ce que les mesures physico-chimiques précitées sont limitées à deux mesures, telles que par exemple, pH et teneur en acides gras volatils, la variable caractéristique de l'état biologique précitée est l'activité biologique méthanogène et le modèle de fermentation précité est ajusté en fonction de la biomasse présente dans le fermenteur et des matières organiques à traiter par celui-ci. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'activité biologique méthanogène est exprimée par le calculateur sous la forme d'un taux de croissance spécifique p) des bactéries méthanogènes de la biomasse du fermenteur. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le modèle de fermentation précité est ajusté à partir d'une expérimentation à échelle réduite qui est effectuée sur un échantillon de matière prélevé du fermenteur, et qui consiste à suivre automatiquement l'évolution dans le temps du pH de la concentration en acides gras volatils ainsi que les quantités en CH4 et C02 produites. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le modèle de fermentation précité intègre la combinaison des phénomènes biologiques y compris l'effet inhibiteur des acides gras volatils non ionisés et des équilibres physico-chimiques dans le fermenteur avec le pH comme variable d'état. 5. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, et du type comprenant au moins un fermenteur (F1), des capteurs (10,11) associés au fermenteur pour permettre des mesures physico-chimiques et au moins un calculateur (C1) traitant ces mesures à l'aide d'un modèle de fermentation, caractérisée en ce qu'audit calculateur (C1), assurant grâce au modèle de fermentation, la transformation des mesures physico-chimiques en une variable caractéristique de l'état biologique, est adjoint un calculateur (C2) assurant la commande du fermenteur (F1) à partir de cette variable, et en ce que ledit modèle est ajusté en fonction de la biomasse présente dans le fermenteur (F1) et au substrat à traiter par un dispositif d'expérimentation à échelle réduite comprenant essentiellement un fermenteur (F2) contenant un échantillon de matière prélevé du fermenteur cité en premier lieu (F1), des capteurs (12 à 15) associés à ce fermenteur (F2) et reliés à au moins un calculateur (C3) fournissant les valeurs des paramètres permettant de calibrer le modèle de fermentation précité. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que les fonctionalités des calculateurs précités (C1 et C2) sont réunies dans un seul et même calculateur. 7. Installation selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que les capteurs précités (12 à 15) sont aptes à mesurer en continu le pH, les quantités du CH4 et de C02 produites et la concentration en acides gras volatils dans le fermenteur (F2), tandis que les paramètres fournis par le calculateur précité (C3) sont - le taux de croissance spécifique méthanogène maximum (umax) - la constante d'inhibition des bactéries méthanogènes (K.) - la constante de saturation des bactéries méthanogènes (Ks), et - les rendements en CH4/biomasse (R1), en C02/biomasse (R2) et en substrat/biomasse (R3)