Brevet FR3057874A1 — publié le 20180427

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine de la dégradation des résidus agricoles, et plus particulièrement de la dégradation des résidus agricoles ligno-cellulosiques, telles que des pailles. L'invention concerne également une composition permettant de dégrader ces résidus ligno-cellulosiques, un procédé de traitement mettant en oeuvre une telle composition, ainsi que son utilisation en tant que traitement biologique 10 desdits résidus. ART ANTERIEUR A l'heure actuelle, les résidus végétaux agricoles sont de plus en plus souvent valorisés dans des procédés de digestion anaérobie, conduisant à la 15 production d'un biogaz comprenant du méthane. Parmi ces résidus de culture, les résidus ligno-cellulosiques sont parmi les plus lents à être dégradés lors de la digestion anaérobie. En effet, cette biomasse ligno-cellulosique comprend d'une part des fibres cellulosiques et des fibres 20 hemi-cellulosiques, formant l'holocellulose, et d'autre part une matrice à base de lignine, un hétéro-polymère qui constitue une barrière protectrice des fibres de cellulose et d'hémicellulose. Ainsi, la biodégradation anaérobie des pailles (qui sont des résidus ligno-cellulosiques) dans les digesteurs (pour produire du méthane) peut être lente et dépasser les 40 jours. Pour certaines pailles de 25 céréales, telles que la paille de colza, la biodégradation anaérobie est encore plus lente. Par ailleurs, ces pailles de colza sont très peu utilisées comme litière ou fourrage pour les animaux et le plus souvent laissées sur les champs après la 30 récolte des céréales. Ces pailles constituent donc une biomasse abondamment disponible, qu'il serait utile de valoriser. Il existe donc un besoin de prétraiter cette biomasse ligno-cellulosique, en 3057874 2 particulier avant de l'introduire dans des digesteurs anaérobie. BUTS Un premier but de l'invention est donc de proposer un procédé de traitement de 5 ces résidus ligno-cellulosiques pour faciliter ou accélérer leur digestion dans les digesteurs anaérobie tels que les méthaniseurs. Un autre but de l'invention est de proposer un agent et un procédé permettant de déstructurer la matrice à base de lignine de ces résidus ligno-cellulosiques, 10 en vue d'augmenter l'accessibilité des fibres cellulosiques, permettant ensuite une dégradation des fibres cellulosiques ainsi libérées. Différents types de procédés de déstructuration de biomasse ligno-cellulosique sont connus à ce jour : 15 - des procédés physiques tels que le broyage, le chauffage, la pression, l'ultrasonication, l'irradiation par des micro-ondes, ou encore une combinaison de ces procédés conduisant à déstructurer la matrice lignocellulosique en permettant la libération plus aisée de monosaccharides 20 fermentescibles ; - des procédés chimiques : acides ou alcalins, ou au moyen de solvants organiques, ou encore d'oxydant puissant tel que l'ozone ou une combinaison de ces procédés chimiques ; - des procédés biologiques par des enzymes ou des micro-organismes 25 spécifiques. Les inventeurs ont retenu cette dernière catégorie de procédés en raison des avantages suivants : (i) ils nécessitent peu d'investissement énergétique, (ii) sont peu onéreux et (iii) ont une spécificité d'action. 30 En vue de développer un tel traitement biologique, les inventeurs, lors de leurs recherche d'isolement de souches de micro-organismes pouvant avoir des 3057874 3 capacités lignolytiques, ont découvert, de manière surprenante, une composition permettant d'augmenter significativement l'accessibilité de la cellulose des résidus ligno-cellulosiques aux cellulases, et donc de dégrader efficacement de tels résidus. Il s'est en outre avéré qu'une telle composition 5 était en particulier efficace vis-à-vis de résidus de paille de colza. DESCRIPTION DETAILLEE La présente invention concerne donc une composition pour le traitement de résidus végétaux agricoles, notamment de résidus ligno-cellulosiques, de type paille, caractérisée en ce qu'elle comprend un mélange d'une solution aqueuse renfermant des sels minéraux NPK, apte à former un milieu nutritif pour des micro-organismes endogènes desdits résidus agricoles à traiter, et d'une source de lignine issue d'un procédé de délignification alcaline de biomasses ligno-cellulosiques. De manière avantageuse, la source de lignine est de la lignine issue du procédé Kraft des industries de pâte à papier, dénommée lignine Kraft. Les exemples présentés plus loin montrent une synergie entre les sels nutritifs 20 NPK et la lignine Kraft pour augmenter l'accessibilité de la cellulose aux cellulases de résidus ligno-cellulosiques. La concentration en lignine dans ledit mélange est de préférence comprise entre 0,1 g/L et 3 g/L, de préférence entre 1 g/L et 2,5 g/L, de préférence 25 encore entre 2 g/L et 2,5 g/L. La lignine, de préférence la lignine Kraft, est avantageusement ajoutée dans la solution des sels minéraux NPK. En ce qui concerne la solution aqueuse renfermant les sels minéraux NPK, elle comprend de préférence de 10 à 300 mmol/L de potassium K, de 20 à 200 30 mmol/L en phosphore P et de 5 à 100 mmol/L en azote N. La solution aqueuse renfermant les sels minéraux NPK comprend des rapports 3057874 4 molaires N : P compris avantageusement entre 1 : 10 et 1 : 1 et P : K compris entre 1 : 5 et 10 : 1. De préférence, dans la solution aqueuse renfermant les sels minéraux NPK 5 l'azote N est présent sous forme d'ions ammonium et le phosphore P sous forme d'ions phosphate. La présente invention concerne également le procédé de traitement de résidus végétaux agricoles, notamment de résidus ligno-cellulosiques, de type paille, 10 caractérisé en ce qu'il comprend une étape de traitement par mise en contact dudit résidu ligno-cellulosique, en milieu aérobie, avec une composition telle que décrite ci-dessus, ledit traitement conduisant à une augmentation de l'accessibilité de la cellulose aux cellulases dudit résidu ligno-cellulosique. 15 Les essais réalisés montrent que cette accessibilité de la cellulose peut être multipliée entre 5 et 8 fois, en trois jours seulement de traitement aérobie. Les résidus végétaux agricoles ligno-cellulosiques peuvent être choisis parmi les pailles de céréales, telles que les pailles de blé, de colza, de maïs, d'orge, 20 d'avoine, de seigle, de préférence des pailles de colza. Cette paille peut être utilisée brute, non découpée, ou découpée uniquement pour réduire son encombrement ou adapter sa longueur aux dimensions du réacteur. Elle ne nécessite donc aucune préparation particulière. Le procédé selon l'invention est avantageusement réalisé dans un réacteur dans lequel sont placés lesdits résidus ligno-cellulosiques, imprégnés en continu par ledit mélange aqueux, présentant un potentiel redox supérieur à 100 mV, de préférence compris entre 150 mV et 500 mV 25 30 De manière surprenante, ce traitement aérobie peut être effectué uniquement en présence des micro-organismes endogènes desdits résidus agricoles à 3057874 5 traiter, c'est-à-dire sans introduction, dans le réacteur, d'autres microorganismes que ceux initialement présents au sein desdits résidus. Selon une caractéristique avantageuse du procédé, le rapport de la demande 5 chimique en oxygène (DCO) des résidus ligno-cellulosiques à la demande chimique en oxygène (DCO) du mélange aqueux de départ est compris entre 4 et 50, de préférence compris entre 5 et 20, de préférence encore compris entre 6 et 10. 10 La composition selon l'invention, ainsi que le procédé de traitement décrit ci-dessus peuvent notamment être utilisés : -pour le prétraitement biologique de résidus végétaux agricoles, notamment des résidus ligno-cellulosiques, de type paille, en vue d'améliorer leur dégradation dans des digesteurs, tels que des digesteurs anaérobie de 15 méthanisation ; -pour le prétraitement biologique de résidus végétaux agricoles, notamment des résidus ligno-cellulosiques, de type paille, en vue d'améliorer leur dégradation dans des procédés de production de bioéthanol ; -ou encore pour le prétraitement biologique de résidus végétaux agricoles, notamment des résidus ligno-cellulosiques, de type paille, en vue d'améliorer leur dégradation dans des procédés de production de sucres simples à partir de ligno-cellulose. Le procédé selon l'invention permet ainsi de contribuer à la valorisation de 25 larges quantités de biomasse ligno-cellulosiques, telles que les pailles de céréales, actuellement inexploitées. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante 30 d'exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est un schéma d'un réacteur pour la mise en oeuvre du procédé 3057874 6 selon l'invention ; La figure 2 regroupe des diagrammes présentant l'accessibilité à la cellulose des différents agents testés sur la paille de colza ; Et la figure 3 montre les proportions relatives des différentes fractions des résidus ligno-cellulosiques après les divers traitements (11 jours) testés : fractions soluble, cellulose, hémicellulose et lignine (méthode Van Soest) EXEMPLES Exemple 1 : composition 15 Un exemple de composition selon la présente invention est donné par le mélange comprenant les constituants suivants : -lignine Kraft (fournisseur Sigma-Aldrich référence 370959) : 2,5 g/L -mélange de sels nutritifs dénommé M9 (fournisseur Sigma-Aldrich référence M6030) comprenant les sels minéraux NKP suivants : 20 Na2HPO4 : 6,8 g/L; KH2PO4 : 3.0 g/L; NaCI, : 0.5 g/L; NH4CI : 1,0 g/L -eau Les différents constituants sont introduits de la façon suivante : la lignine Kraft est mise en suspension dans la solution aqueuse préparée après dissolution 25 de l'ensemble des sels nutritifs mentionnés ci-dessus. Exemple 2 : procédé de traitement Un exemple de réacteur utilisé pour mettre en oeuvre le procédé selon la 30 présente invention est présenté à la figure 1. Le réacteur 1 de forme cylindrique possède deux parois thermostatées 2. Il est équipé d'un circuit 3 d'alimentation en solution aqueuse (composition selon l'invention de l'exemple 5 10 3057874 7 1 ou autre solution à tester) qui alimente ledit réacteur au moyen d'une pompe 4. Ce circuit 3 d'alimentation en solution aqueuse comporte, dans sa partie supérieure, une buse 5 de pulvérisation, et, dans sa partie inférieure, une sortie 6 reprenant le liquide au niveau du fond 9 du réacteur 1. 5 Les résidus ligno-cellulosiques 11 à traiter sont placés sur une grille 10 disposée à une certaine distance du fond 9 du réacteur. Le traitement dans ledit réacteur 1 ayant lieu en milieu aérobie, une injection d'air est prévue dans le fond 9 du réacteur au moyen de l'entrée d'air 7. L'air rejeté et les gaz émis s'échappent du réacteur par la sortie 8. 10 Fonctionnement du réacteur : Le réacteur est thermostaté à une température comprise entre 22 et 38°C, plus préférentiellement aux alentours de 30°C. Le pH de la solution est neutre 15 (comprise entre 6,5 et 7,5). De même est surveillé le potentiel rédox de la solution qui doit être d'au moins 100 mV. Le résidu ligno-cellulosique 11 solide placé sur la grille 10 est imprégné en permanence par la solution aqueuse qui est pulvérisée en continu au-dessus de celui-ci, mais séparé de la solution stagnant au fond du réacteur avant son recyclage. 20 La quantité de solution est bien entendu adaptée à la quantité de résidus lignocellulosiques : afin de pouvoir l'humidifier en permanence, le rapport solide de la masse du résidu par rapport à la quantité du liquide ne doit pas être supérieur à 2. Le débit de la solution aqueuse est ajusté aux alentours de 100 mL par minute. L'air est également injecté de manière permanente à un débit de 25 mL par minute. Les conditions de débit de liquide et d'air injecté ci-dessus ont été appliquées à un réacteur de volume 3,3 L dans lequel ont été introduits 100 g de résidus de paille de colza avec une solution de 400 mL recirculée selon un taux de 100 3057874 8 mL par minute. Exemple 3 : comparatif 5 Différents tests ont été réalisés avec diverses solutions aqueuses nutritives de M9 ou NaCI en présence ou non de lignine Kraft et/ou en présence ou non de bactéries lignolytiques : >M9 + lignine + Serratia sp. 10 - M9 + lignine + Pseudomonas chlororaphis >M9 + lignine + Stenotrophomonas sp. >NaCI + lignine + Serratia sp. > NaCI + lignine + Pseudomonas chlororaphis > NaCI + lignine + Stenotrophomonas sp. 15 -M9 + lignine >NaCI + lignine >M9 >NaCI 20 avec : M9 = solution nutritive (voir formulation dans l'exemple 1) NaCI = 9 g/L Lignine = lignine Kraft à 2,5 g/L dans la solution nutritive ou la solution de NaCI Bactéries = 108/mL de solution 25 Des traitements aérobies ont été réalisés pendant 11 jours avec des mesures respectivement à 3, 5, 7 et 11 jours du taux d'accessibilité à la cellulose (CAC). Cette mesure de l'accessibilité des résidus à la cellulase a été effectuée selon la méthode de Hong et Zhang (Langmuir, 23, 12535-12540, 2007), sur des 30 échantillons immédiatement après leur prélèvement (non congelés). Les résultats obtenus sont présentés sur la figure 2. On remarque nettement 3057874 9 que le milieu (composition selon la présente invention) renfermant uniquement la solution nutritive M9 et la lignine Kraft permet une accessibilité importante à la cellulose de la paille de colza. 5 Au contraire, les ajouts bactériens effectués n'apportent que peu d'amélioration sur ce paramètre d'accessibilité de la cellulose dans ces mêmes durées de traitement aérobie. Il est également à noter que la composition selon l'invention permet une augmentation tout à fait importante de l'accessibilité à la cellulose au bout de trois jours seulement de traitement aérobie. 10 Pour compléter ces résultats, des analyses des différentes fractions de la biomasse ligno-cellulosique obtenue après 11 jours de traitement avec ces différentes solutions sont présentées sur la figure 3. 15 Le fractionnement a été réalisé en utilisant le procédé Van Soest (Van Soest et al. J Dairy Sci, 74, 3583-3597, 1991) . Ce procédé permet, en fractionnant les résidus de manière chimique à l'aide de détergents neutre ou acide, de déterminer les fractions respectives cellulosique, hémi-cellulosique ou lignine ainsi que la fraction soluble à l'eau. 20 Au vu de ces résultats, on remarque que la fraction lignine reste constante alors que les fractions cellulosiques et hémi-cellulosiques diminuent. L'augmentation de l'accessibilité à la cellulose au moyen de la composition selon l'invention est donc liée à une déstructuration de cette biomasse ligno- 25 cellulosique, qui conduit à une libération des fibres cellulosiques. Cette libération des fibres cellulosiques permet ainsi d'envisager des traitements ultérieurs, tels que des traitements anaérobies, par exemple des digestions en vue de la production de méthane, de sucres simples, ou encore de bioéthanol. 30 REVENDICATIONS1. Composition pour le traitement de résidus végétaux agricoles, notamment de résidus ligno-cellulosiques (11), de type paille, caractérisée en ce qu'elle comprend un mélange d'une solution aqueuse renfermant des sels minéraux NPK, apte à former un milieu nutritif pour des micro-organismes endogènes desdits résidus agricoles à traiter, et d'une source de lignine issue d'un procédé de délignification alcaline de biomasses ligno-cellulosiques. 2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source de lignine est de la lignine issue du procédé Kraft des industries de pâte à papier, dénommée lignine Kraft. 3. Composition selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la concentration en lignine dans ledit mélange est comprise entre 0,1 g/L et 3 g/L, de préférence entre 1 g/L et 2,5 g/L, de préférence encore entre 2 g/L et 2,5 g/L. 4. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la solution aqueuse renfermant les sels minéraux NPK comprend de 10 à 300 mmol/L de potassium K, de 20 à 200 mmol/L en phosphore P et de 5 à 100 mmol/L en azote N. 5. Composition selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que la solution aqueuse renfermant les sels minéraux NPK comprend des rapports molaires N : P compris entre 1 : 10 et 1 : 1 et P : K compris entre 1 : 5 et 10: 1. 6. Composition selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que dans la solution aqueuse renfermant les sels minéraux NPK l'azote N est présent sous forme d'ions ammonium et le phosphore P sous forme d'ions phosphate. 3057874 11 7. Procédé de traitement de résidus végétaux agricoles, notamment de résidus ligno-cellulosiques, de type paille, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de traitement par mise en contact dudit résidu ligno-cellulosique, en milieu 5 aérobie, avec une composition selon l'une des revendications 1 à 6, ledit traitement conduisant à une augmentation de l'accessibilité de la cellulose dudit résidu ligno-cellulosique aux cellulases. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les résidus végétaux 10 agricoles ligno-cellulosiques sont choisis parmi les pailles de céréales, telles que les pailles de blé, de colza, de maïs, d'orge, d'avoine, de seigle, de préférence des pailles de colza. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en 15 ce qu'il est réalisé dans un réacteur (1) dans lequel sont placés lesdits résidus ligno-cellulosiques (11), imprégnés en continu par ledit mélange aqueux, présentant un potentiel redox supérieur à 100 mV, de préférence compris entre 150 mV et 500 mV. 20 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le traitement est effectué uniquement en présence des microorganismes endogènes desdits résidus agricoles à traiter. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en 25 ce que le rapport de la demande chimique en oxygène (DCO) des résidus ligno-cellulosiques à la demande chimique en oxygène (DCO) du mélange aqueux de départ est compris entre 4 et 50, de préférence compris entre 5 et 20, de préférence encore compris entre 6 et 10. 30 12. Utilisation de la composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou du procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, pour le prétraitement biologique de résidus végétaux agricoles, notamment des résidus ligno-cellulosiques, de type paille, en vue d'améliorer leur dégradation dans des digesteurs, tels que des digesteurs anaérobies de méthanisation. 3057874 12 13. Utilisation de la composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou du procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, pour le prétraitement biologique de résidus végétaux agricoles, notamment des résidus 5 ligno-cellulosiques, de type paille, en vue d'améliorer leur dégradation dans des procédés de production de bioéthanol. 14. Utilisation de la composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou du procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, pour le 10 prétraitement biologique de résidus végétaux agricoles, notamment des résidus ligno-cellulosiques, de type paille, en vue d'améliorer leur dégradation dans des procédés de production de sucres simples à partir de ligno-cellulose. 15