Brevet FR3100817A1 — publié le 20210319

TITRE : Installation et procédé de co-production de proteines et de biométhane Installation de co-production de protéines et de biométhane, comprenant : Un digesteur permettant de produire du biogaz à partir de biomasse ; Un dispositif de séparation membranaire permettant de produire du biométhane et du dioxyde de carbone à partir du biogaz sortant du digesteur ; Au moins un fermenteur permettant la culture de microorganismes ou de bactéries et la production d’un mélange comprenant au moins 10% de protéines au moyen au moins du dioxyde de carbone sortant du dispositif de séparation membranaire. Figure de l’abrégé : Fig. 1 Installation et procédé de co-production de proteines et de biométhane La présente invention est relative à une installation de co-production de protéines et de biométhane et au procédé mettant en œuvre une telle installation en particulier sur un site agricole. 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)... Ainsi lorsque le biométhane est produit, du dioxyde de carbone est aussi généré en quantités conséquentes. Cependant le dioxyde de carbone est actuellement peu valorisé et est souvent rejeté à l’atmosphère. Par ailleurs, la population mondiale prévue d'atteindre les 10 milliards d’ici 2030 générera une augmentation de la demande de protéines pour l’alimentation animale et humaine qui seront en parti remplacées par les protéines alternatives. Les protéines d’origine microbienne ou protéines d’origine unicellulaire (POU) représentent une des alternatives aux protéines d’origine animale. Les POU sont produites à partir de bactéries, levures, moisissures ou des algues. Selon la variété de microorganisme utilisé, le substrat peut être solide (saccharose, glucose, amidon…), liquide (petit-lait, eaux de procédé ou de lavage des industries alimentaires…) ou gaz (CO2, H2, méthane…). Les POU récupérées, souvent avec une teneur en protéines autour de 70 %, sont utilisés pour enrichir des mélanges nutritifs destinés à l’alimentation animale. A titre d’exemple, un bioréacteur consomme entre 1,5 et 2,0 kg de CO2 pour produire 1 kg d’aliment animal fabriqué à partir de POU bactériennes. Partant de là, la présente invention propose le couplage de la production de biométhane et de protéines. Une solution de la présente invention est une installation de co-production de protéines et de biométhane, comprenant : Un digesteur permettant de produire du biogaz à partir de biomasse ; Un dispositif de séparation membranaire permettant de produire du biométhane et du dioxyde de carbone à partir du biogaz sortant du digesteur ; Au moins un fermenteur permettant la culture de microorganismes et la production d’un mélange comprenant au moins 10%, de préférence au moins 25%, plus préférentiellement au moins 50% de protéines au moyen au moins du dioxyde de carbone sortant du dispositif de séparation membranaire. Selon le cas l’installation selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : ladite installation comprend entre 1 et 50 fermenteurs, de préférence entre 1 et 10 ; le dispositif de séparation membranaire comprend entre 1 et 5 étages de membranes, de préférence 4 étages de membranes. Notons que le dispositif de séparation membranaire peut être précédé de moyens de purification du biogaz visant notamment à supprimer l’H 2 S, les composés organiques volatils (VOC) et l’ammoniac ; ladite installation comprend des moyens d’introduction des résidus du fermenteur dans le digesteur ; le fermenteur comprend de l’eau dans laquelle circule un courant électrique ; le fermenteur comprend un moyen d’introduction d’un flux d’hydrogène. La présente invention a également pour objet un procédé de coproduction de protéines et de biométhane, mettant en œuvre une installation selon l’invention, et comprenant : Une étape de production de biogaz comprenant l’introduction de biomasse dans le digesteur ; Une étape de séparation du biogaz issu de l’étape a) en biométhane et en dioxyde de carbone au moyen du dispositif de séparation membranaire ; Une étape de production d’un mélange comprenant au moins 10%, de préférence au moins 25%, plus préférentiellement au moins 50% de protéines, comprenant l’introduction du dioxyde de carbone issu de l’étape b) dans le fermenteur permettant la culture de microorganismes. Selon le cas, le procédé selon l’invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : l’étape a) est accompagnée de la production d’un digestat récupéré en sortie du digesteur ; le mélange comprenant au moins 10% de protéines est sous forme liquide et après l’étape c) le mélange comprenant au moins 10% de protéines est séché de manière à obtenir une poudre ; l’étape c) est accompagnée de la production de résidus et après l’étape c) les résidus sont introduits dans le digesteur. Enfin la présente invention a également pour objet l’utilisation d’une installation selon l’invention, pour produire des protéines et du biométhane sur un site agricole ; les protéines étant utilisées pour l’alimentation animale sur le site agricole et le biométhane étant utilisé pour produire de l’énergie sur le site agricole. De préférence, le digestat sera également utilisé pour amender et/ou fertiliser les terrains du site agricole. En effet, un des avantages de la solution proposée par la présente invention est de pouvoir utiliser tous les produits issus du procédé proposé directement sur un site agricole. Par « produits » on entend, le biométhane et les protéines mais aussi le digestat récupéré en sortie du digesteur et qui peut servir d’engrais dans les cultures agricoles. Comme la biomasse est majoritairement agricole dans de nombreux pays, la solution selon l’invention est intéressante d’un point de vue valorisation. Cela évite aussi les questions logistiques qui pourraient se poser dans le cas de valorisation de CO2 dans l’industrie. Un autre avantage est économique : en effet les protéines sont produites dans le cadre de l’invention à faible coût puisque seuls les micro-organismes peu coûteux doivent être ajoutés aux flux déjà existants. L’invention va à présente être décrite plus en détail à l’aide de la . La biomasse 1 est introduite dans le digesteur 2. Par biomasse on entend un substrat qui comprend de la matière organique, par exemple des résidus de céréales, de mélasse, de graisses animales, de déjections de bovins ou de volailles. Ces matières solides ou liquides seront la plupart du temps homogénéisées et broyées avant d’être introduites dans le digesteur 2. Le digesteur sera de préférence en voie liquide infiniment mélangé et en conditions mésophiles ou sinon thermophiles. Dans le digesteur 2 a ensuite lieu la fermentation. En effet, la biomasse est chauffée à une température comprise entre 35 °C et 55°C, en étant agitée régulièrement. Le temps de rétention hydraulique est en moyenne entre 10 et 100 jours. Cela aboutit après diverses transformations biochimiques provoquée par les bactéries, à la production de biogaz 3. Le résidu de la méthanisation appelé digestat 4 est récupéré pour servir d’engrais ou d'amendement. Le biogaz 3 est ensuite séparé dans une unité de séparation membranaire, comprenant au moins un étage de membrane et permettant de séparer le biométhane 5 du dioxyde de carbone 6. Pour que cette séparation soit possible la membrane sera plus perméable au dioxyde de carbone qu’au méthane. Notons qu’une partie du biogaz pourra servir à générer la chaleur nécessaire à la méthanisation. Le dioxyde de carbone 6 est introduit dans le fermenteur 7 alimenté en bactéries ou micro-organismes 8. Dans le fermenteur les bactéries ou micro-organismes sont dans de l’eau où circule un courant électrique, ce qui va produire de l’hydrogène et de l’oxygène. Ce sont ces gaz qui vont permettre aux bactéries ou micro-organismes d’utiliser le CO2 et surtout le carbone du CO2, pour le transformer en protéines 9. Notons que de l’hydrogène et de l’oxygène peuvent de manière alternative directement introduits dans le mélange de bactéries ou de micro-organismes. On récupère en réalité en sortie du fermenteur un liquide qui est séché et l’obtient une poudre présentant une teneur en protéines d’au moins 40%, de préférence 50%, encore plus préférentiellement 60%. Les résidus 10 de bactéries ou micro-organismes pourront ensuite être introduits dans le digesteur. Notons que le nombre de fermenteurs peut varier entre 1 et 50 selon la quantité de CO2 générée par le digesteur. Les protéines ainsi produites pourront être utilisée pour l’alimentation animale et le biométhane servira lui à la production d’énergie. Installation de co-production de protéines et de biométhane, comprenant : Un digesteur permettant de produire du biogaz à partir de biomasse ; Un dispositif de séparation membranaire permettant de produire du biométhane et du dioxyde de carbone à partir du biogaz sortant du digesteur ; Au moins un fermenteur permettant la culture de microorganismes ou de bactéries et la production d’un mélange comprenant au moins 10% de protéines au moyen au moins du dioxyde de carbone sortant du dispositif de séparation membranaire. Installation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’elle comprend entre 1 et 50 fermenteurs, de préférence entre 1 et 10. Installation selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le dispositif de séparation membranaire comprend entre 1 et 5 étages de membranes, de préférence 4 étages de membranes. Installation selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu’elle comprend des moyens d’introduction des résidus du fermenteur dans le digesteur. Installation selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le fermenteur comprend de l’eau dans laquelle circule un courant électrique. Installation selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le fermenteur comprend un moyen d’introduction d’un flux d’hydrogène. Procédé de coproduction de protéines et de biométhane, mettant en œuvre une installation selon l’une des revendications 1 à 6, et comprenant : Une étape de production de biogaz comprenant l’introduction de biomasse dans le digesteur ; Une étape de séparation du biogaz issu de l’étape a) en biométhane et en dioxyde de carbone au moyen du dispositif de séparation membranaire ; Une étape de production d’un mélange comprenant au moins 10% de protéines, comprenant l’introduction du dioxyde de carbone issu de l’étape b) dans le fermenteur permettant la culture de microorganismes ou de bactéries. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l’étape a) est accompagnée de la production d’un digestat récupéré en sortie du digesteur. Procédé selon l’une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le mélange comprenant au moins 10% de protéines est sous forme liquide et après l’étape c) le mélange comprenant au moins 10% de protéines est séché de manière à obtenir une poudre. Procédé selon l’une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que l’étape c) est accompagnée de la production de résidus et après l’étape c) les résidus sont introduits dans le digesteur. Utilisation d’une installation selon l’une des revendications 1 à 6, pour produire des protéines et du biométhane sur un site agricole ; les protéines étant utilisées pour l’alimentation animale sur le site agricole et le biométhane étant utilisé pour produire de l’énergie sur le site agricole.