Brevet FR3048366A1 — publié le 20170908

La présente invention est relative à un procédé de traitement d'un flux de biogaz comprenant du méthane et du dioxyde de carbone. Le biogaz est un gaz produit par la fermentation naturelle ou artificielle de matières organiques végétales ou animales (la méthanisation). Il contient majoritairement du méthane (CH4) du dioxyde de carbone (CO2), mais également - en moindre proportion - de l'eau, de l'azote, de l'hydrogène sulfuré, de l'oxygène, ainsi que des composés organiques autres, à l'état de traces. Selon les matières organiques dégradées et les techniques utilisées, les proportions des composants diffèrent, mais en moyenne le biogaz comporte, sur gaz sec, de 30 à 75% de méthane, de 15 à 60% de CO2, de 0 à 15% d'azote, de 0 à 5% d'oxygène et des composés traces. Le biogaz est valorisé de différentes manières. Il peut, après un traitement léger, être valorisé à proximité du site de production pour fournir de la chaleur, de l'électricité ou un mélange des deux (la cogénération); la teneur importante en dioxyde de carbone réduit son pouvoir calorifique, augmente les coûts de compression et de transport et limite l'intérêt économique de sa valorisation à cette utilisation de proximité. Une purification plus poussée du biogaz permet sa plus large utilisation, en particulier, une purification poussée du biogaz permet d'obtenir un biogaz épuré aux spécifications du gaz naturel et qui pourra lui être substitué ; le biogaz ainsi purifié est le « biométhane ». Le biométhane complète ainsi les ressources de gaz naturel avec une partie renouvelable produite au coeur des territoires ; il est utilisable pour exactement les mêmes usages que le gaz naturel d'origine fossile. Il peut alimenter un réseau de gaz naturel, une station de remplissage pour véhicules, il peut aussi être liquéfié pour être stocké sous forme de gaz naturel liquide (GNL)... Il existe plusieurs procédés pour épurer le biogaz : - le procédé de séparation par adsorption à modulation de pression (PSA), - le lavage à l'eau ; - le lavage aux amines ; - l'utilisation de membranes ; - le procédé cryogénique. 3048366 2 Cependant, l'épuration du biogaz est très coûteuse et représente un frein à l'installation de méthaniseurs ou du moins de sites d'épuration. Partant de là un problème qui se pose est de fournir un procédé d'épuration amélioré. Une solution de la présente invention est un procédé de traitement d'un flux de biogaz 2 5 comprenant du méthane et du dioxyde de carbone mettant en oeuvre des enzymes ou micro- organismes 3 aptes à transformer le dioxyde de carbone en un carburant ou un produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant 4. Notons que la molécule organique sera de préférence sous forme liquide. Selon le cas, le procédé selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques 10 suivantes : - ledit procédé comprend les étapes successives suivantes (figure 2): a) méthanisation de matières organiques 1 de manière à produire du biogaz 2, b) épuration 5 du biogaz produit à l'étape a) de manière à produire du biométhane 6 et du dioxyde de carbone 7, et 15 c) mise en contact du dioxyde de carbone 7 produit à l'étape b) avec des enzymes ou des micro- organismes 3 de manière à transformer le dioxyde de carbone en un carburant ou un produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant (4). Pour ce procédé on parlera de procédé « selon une première variante ». - à l'étape b) l'épuration 5 s'effectue par adsorption sur un lit d'adsorbant. 20 - à l'étape c) la mise en contact du dioxyde de carbone est effectuée au moyen d'un gel d'alginate comprenant des enzymes ou des microorganismes 3. Notons que des moyens d'immobilisation autre que le gel d'alginate peuvent être utilisés. - ledit procédé comprend les étapes successives suivantes (figure 3): a) méthanisation de matières organiques 1 de manière à produire du biogaz 2, 25 b) mise en contact du biogaz produit à l'étape a) avec des enzymes ou des microorganismes 3 de manière à transformer le dioxyde de carbone compris dans le biogaz en un carburant ou un produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant 4 et produire un biogaz appauvri en dioxyde de carbone 8, et 3048366 3 c) épuration 5 du biogaz appauvri en dioxyde de carbone de manière à produire du biométhane 6. Pour ce procédé on parlera de procédé « selon une deuxième variante ». - à l'étape b) la mise en contact du dioxyde de carbone est effectuée au moyen d'un gel d'alginate comprenant des enzymes ou des microorganismes. Notons que des moyens 5 d'immobilisation autre que le gel d'alginate peuvent être utilisés. - à l'étape c) l'épuration 5 s'effectue par adsorption sur un lit d'adsorbant. - le carburant ou le produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant 4 est l'acide formique, l'acide succinique ou le méthanol. Notons que le méthanol est de préférence obtenu avec le procédé selon la deuxième variante. 10 - le microorganisme est un microorganisme produisant la formiate déshydrogénase ou l'enzyme est la formiate déshydrogénase, et le produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant est l'acide formique. - les micro-organismes sont les bactéries Actinobacillus succinogènes ou les enzymes sont la pyruvate carboxylase, le phosphoenolpyruvate, la carboxylase, la carbocykinase, et l'enzyme 15 malique, et le produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant est de l'acide succinique. - les micro-organismes sont des bactéries méthanotrophes ou des colstridium ou les enzymes sont la formate déshydrogénase, la formaldéhyde déshydrogénase et l'alcool déshydrogénase, et le carburant est du méthanol. 20 Autrement dit la présente invention permet de limiter les coûts de l'épuration du biogaz en récupérant du dioxyde de carbone et en valorisant celui-ci par production d'un carburant ou un produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant pouvant être de l'acide formique, de l'acide succinique ou du méthanol. Ces molécules représentent en effet un gain financier puisqu'elles peuvent être mises sur le marché ou valorisé en tant que stockage 25 d'hydrogène (grâce à l'utilisation d'une pile à combustible) dans le cas de l'acide formique La présente invention a également pour objet une installation de purification d'un flux de biogaz comprenant du méthane et du dioxyde de carbone. Selon une première alternative ladite installation comprend : a) un méthaniseur de matières organiques 1 permettant la production de biogaz 2, 3048366 4 b) un système d'épuration 5 du biogaz permettant de produire du biométhane 6 et du dioxyde de carbone 7, et c) un conduit permettant le passage du dioxyde de carbone 7 sortant du système d'épuration 5 et comprenant un gel comprenant des enzymes ou des microorganismes permettant 5 transformer le dioxyde de carbone en un carburant ou un produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant 4. Selon une deuxième alternative ladite installation comprend : a) un méthaniseur de matières organiques 1 permettant la production de biogaz 2, b) un conduit placé en sortie du méthaniseur de manière à permettre le soutirage du biogaz et 10 comprenant un gel comprenant des enzymes ou des microorganismes 3 permettant de transformer le dioxyde de carbone du biogaz en un carburant ou un produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant 4 et produire un biogaz appauvri en dioxyde de carbone 8, et c) un système d'épuration 5 du biogaz appauvri en dioxyde de carbone 8 permettant de 15 produire du biométhane 6. La figure 1 représente une installation selon l'art antérieur. La figure 2 représente une installation selon la première alternative de l'installation selon l'invention. La figure 3 représente une installation selon la deuxième alternative de l'installation selon 20 l'invention. Les enzymes ou microorganismes pourront être immobilisés par l'une des méthodes suivantes : i/ par adsorption sur des supports tels que par exemple la kaolinite, le quartz, le verre poreux (modifié chimiquement ou non), des oxydes et des sels minéraux, le collagène, la cellulose et ses dérivés, ainsi que les résines échangeuses d'ions, 25 ii/ par microencapsulation dans des microcapsules dont la paroi est une membrane perméable, iii/ par inclusion dans un réseau macromoléculaire tridimensionnel de type polymère dans les mailles duquel l'enzyme se trouve retenue, 3048366 5 iv/ par réticulation : la particule à immobiliser est traitée par un agent chimique, par exemple le glutaraldéhyde, susceptible de réagir sur les groupements fonctionnels libres de celle-ci de manière à créer un réseau tridimensionnel, ou bien v/ par fixation chimique sur un polymère réactif au moyen de liaisons covalentes. 5 L'installation selon la première ou deuxième alternative comprend de préférence comme gel comprenant des enzymes un gel d'alginate, un gel sous forme de billes poreuses. De manière générale dans le cadre de l'invention, les enzymes ou les micro-organismes sont immobilisées dans le conduit de soutirage du biogaz épuré ou non. L'immobilisation se fait sur un support soit par rétention physique soit par liaison chimique, sous forme de billes ou bien de 10 film polymère. Le support est de préférence un gel. Le biogaz épuré ou non passe au travers du support contenant les enzymes/micro-organismes, le dioxyde de carbone y est alors adsorbé et transformé par les enzymes ou les microorganismes au sein du support en un carburant ou un produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant choisie parmi l'acide formique, l'acide succinique ou le méthanol. 15 L'épuration du biogaz consiste en général à sécher le biogaz et à retirer le sulfure d'hydrogène ainsi que l'ammoniac sur charbon actif. Le carburant ou le produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant étant de préférence liquide, au sein de l'installation selon l'invention le conduit comprenant les enzymes ou les micro-organismes sera de préférence incliné de manière à présenter un angle compris 20 entre 15 et 40° par rapport à l'horizontale. Cette inclinaison permettra alors un écoulement vers le bas de la molécule organique sous forme de produit liquide facilitant ainsi sa récupération. Un système de sas empêchant le biogaz appauvri en dioxyde de carbone de s'échapper pourra être mis en place en contrebas du conduit. Enfin, la solution selon l'invention permet de récupérer du biométhane comprenant entre 70 et 25 90% de CH4, contre 55% habituellement. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement d'un flux de biogaz (2) comprenant du méthane et du dioxyde de carbone mettant en oeuvre des enzymes ou micro-organismes (3) aptes à transformer le dioxyde de carbone en un carburant ou un produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant (4). 2. Procédé de traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes successives suivantes : a) méthanisation de matières organiques (1) de manière à produire du biogaz (2), b) épuration (5) du biogaz produit à l'étape a) de manière à produire du biométhane (6) et du dioxyde de carbone (7), et c) mise en contact du dioxyde de carbone (7) produit à l'étape b) avec des enzymes ou des micro-organismes (3) de manière à transformer le dioxyde de carbone en un carburant ou un produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant (4). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'à l'étape b) l'épuration (5) s'effectue par adsorption sur un lit d'adsorbant. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'à l'étape c) la mise en contact du dioxyde de carbone est effectuée au moyen d'un gel d'alginate comprenant des enzymes ou des microorganismes (3). 5. Procédé de purification selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes successives suivantes : a) méthanisation de matières organiques (1) de manière à produire du biogaz (2), b) mise en contact du biogaz produit à l'étape a) avec des enzymes ou des microorganismes (3) de manière à transformer le dioxyde de carbone compris dans le biogaz en un carburant ou un 3048366 7 produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant (4) et produire un biogaz appauvri en dioxyde de carbone (8), et c) épuration (5) du biogaz appauvri en dioxyde de carbone de manière à produire du biométhane (6). 5 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'à l'étape b) la mise en contact du dioxyde de carbone est effectuée au moyen d'un gel d'alginate comprenant des enzymes ou des microorganismes (3). 10 7. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'à l'étape c) l'épuration (5) s'effectue par adsorption sur un lit d'adsorbant. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le carburant ou le produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant (4) est l'acide formique, l'acide 15 succinique ou le méthanol. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le microorganisme est un microorganisme produisant la formiate déshydrogénase où l'enzyme est la formiate déshydrogénase, et le produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant est l'acide 20 formique. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les micro-organismes sont les bactéries Actinobacillus succinogènes ou les enzymes sont la pyruvate carboxylase, le phosphoenolpyruvate, la carboxylase, la carbocykinase, et l'enzyme malique, et le produit 25 intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant est de l'acide succinique. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les microorganismes sont des bactéries méthanotrophes ou des Clostridium ou les enzymes sont la formate 3048366 8 déshydrogénase, la formaldéhyde déshydrogénase et l'alcools déshydrogénase, et le carburant est du méthanol. 12. Installation de traitement d'un flux de biogaz comprenant du méthane et du dioxyde de 5 carbone, ladite installation comprenant : a) un méthaniseur de matières organiques (1) permettant la production de biogaz (2), b) un système d'épuration (5) du biogaz permettant de produire du biométhane (6) et du dioxyde de carbone (7), et c) un conduit permettant le passage du dioxyde de carbone (7) sortant du système d'épuration 10 (5) et comprenant un gel comprenant des enzymes ou des microorganismes permettant transformer le dioxyde de carbone en un carburant ou un produit intermédiaire nécessaire à la formation d'un carburant (4). 13. Installation de traitement d'un flux de biogaz comprenant du méthane et du dioxyde de 15 carbone, ladite installation comprenant : a) un méthaniseur de matières organiques (1) permettant la production de biogaz (2), b) un conduit placé en sortie du méthaniseur de manière à permettre le soutirage du biogaz et comprenant un gel comprenant des enzymes ou des microorganismes (3) permettant de transformer le dioxyde de carbone du biogaz en un carburant ou un produit intermédiaire 20 nécessaire à la formation d'un carburant (4) et produire un biogaz appauvri en dioxyde de carbone (8), et c) un système d'épuration (5) du biogaz appauvri en dioxyde de carbone (8) permettant de produire du biométhane (6). 25 14. Installation de purification selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisée en ce que le gel comprenant des enzymes est un gel d'algilate. 15. Installation de purification selon la revendication 14, caractérisée en ce que le gel d'alginate est sous forme de billes poreuses.