PROCESS FOR THE OBTENTION OF METHANE BY FERMENTATION OF ALGAE

Abstract: 1. A process for obtaining methane by fermenting algae, characterized in that it involves the following successive stages : - pre-treatment of the algae, capable of producting a liquid suspension of fine solid particles, said treatment being moreover capable of partially depolymerizing the solid algae matter, - running the suspension through a fluidized bed containing granules (34) on which enzymes are immobilized which are capable of transforming the particles into sugar, said liquid containing acidific bacteria capable of transforming said sugars into volatile fatty acids, - decantation of the suspension, so as to remove any solid particles that may remain, and to extract a decanted liquid, and - running the decanted liquid across a fixed bed containing methanogenic bacteria set onto a support so as to cause the liquid to release a gas mixture containing mainly methane.

Description: Procédé pour obtenir du méthane par fermentation d'algues La présente invention concerne un procédé pour obtenir du méthane par fermentation d'algues. Les algues vertes prolifèrent aussi bien dans les eaux douces que salées et constituent souvent une source de pollution par engorgement des cours d'eaux ou dépôt indésirable sur les plages côtières. De telles algues peuvent être soumises à une fermentation anaréobie dans une cuve fermée maintenue à une température de l'ordre de 370C pendant 20 jours environ. Cette fermentation fournit un gaz riche en méthane qu'on peut recueillir à travers une soupape ménagée sur la paroi de la cuve. Par ce procédé connu on obtient ainsi au maximum 100 litres de méthane par kilogramme d'algues sèches. Comme les dépenses énergétiques nécessitées par l'entretien de la fermentation représentent 50 à 60% de l'énergie calorifique qu'il est possible de récupérer par combustion du méthane, un tel procédé n'est pas économiquement rentable. La présente invention a pour but d'augmenter le rendement énergétique des procédés de ce type tout en diminuant le temps de fermentation de façon à rendre rentable la récupération du méthane. La présente invention a pour objet un procédé pour obtenir du méthane par fermentation d'algues, caractérisé en ce qu'il comporte successivement les étapes suivantes - traitement préalable des algues, capable de les transformer en une suspension de fines particules solides dans un liquide , ce traitement étant capable en outre de dépolymériser partiellement la matière solide des algues, - passage de la suspension dans un lit fluidisé contenant des granulés sur lesquels sont immobilisés des enzymes aptes à transformer les particules en sucres, le liquide contenant des bactéries acidogènes aptes à transformer ces sucres en acides gras volatils, - décantation de la suspension, de manière à éliminer les particules solides restantes et à prélever un liquide décanté - et passage du liquide décanté à travers un lit fixe contenant des bactéries méthanogènes fixées sur un support, de manière à provoquer dans ce liquide un dégagement d'un mélange gazeux contenant principale, ument du membrane. Selon des modes particuliers de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le traitement préalable comporte un broyage ou un traite ment as 5 à la soude. Selon d'autres modes particuliers de mise en-oeuvre de ce procédé, re passaqg*- de la suspension dans le lit fluidisé, ainsi que le passage du liquide déjanté à travers un lit fixe comportent chacun un recyclage, les résidus de décantation étant recyclés vers le lit fluidise. Selon un autre mode particulier de mise en oeuvre, le taux d'enzymes immobilisés dans les granulés est choisi de sorte que la concentration en sucres dans le liquide n'atteigne pas le seuil d'inhi- bition des enzymes. Selon d'autres modes particuliers de mise en oeuvre, la tempéra ture de la suspension dans le lit fluidisé et celle du liquide décanté dans le lot fixe sont maintenues à une valeur constante de 370 C, tandis que I de la suspension dans le lit fluidisé est maintenu à 6 et que le pH d:: liquide décanté passant à travers le lit fixe est maintenu à 7,5. Selon d'autres modes particuliers de mise en oeuvre du procédé selon invention, les granulés sont en alumine gamma poreuse et le support des bactéries méthanogènes est constitué par des anneaux de céramique poreuse qui-peuvent être constitués d'alumine alpha frittée. Des modes particuliers de mise en oeuvre du procédé selon l'inven tion sont décrits ci-dessous, à titre d'exemple, en regard du dessin annexé dans lequel la figure unique représente schématiquement un dispo sitif capable de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Sur cette figure est représenté un poste de hachage 1 suivi successivement d'un poste de lavage 2, d'un poste de traitement préa lable physico-chimique 3 qui sera précisé ultérieurement et d'un poste de préchauffage h. A la sortie du poste 4 est disposé un récipi tr: conique 5 dont le goulot est relié à une canalisation 6 sur laquel e ont disposées en série successivement une pompe 7 et une vanne 8. L' x évité de la cana lisation 6 sortant de la vanne 8- débouche au fond c de cuve 9 de forme cylindrique à axe vertical. Sur la surface cylindre de de la cuve 9 est fixée une enveloppe annulaire 10 qui peut contenir ll liquide circulant entre une entrée 11 et une sortie 12. L'extrémité supérieure de la euve 9 est fermée par une paroi munie d'une soupape 13. De la partie supérieure de la cuve 9 part une canalisation 14 sur laquelle est branen en dérivation une autre canalisation 15 qui débouche dans le fond de la cuve 9. Une pompe peristaltique 16 est disposée en série sur la cana irisation 15. La canalisation 14 provenant de la cuve 9 débouche à la partie supérieure d'une autre cuve fermée 17, de forme cylindrique à axe vertical. Une vanne 18 est placée en série sur la canalisation 14 entre sa jonction avec la canalisation 15 et la cuve 17. L'extrémité supérieure Oe la cuve 17 est munie d'une soupape 30. Le fond de la cuve 17 est relié par une canalisation 19 à la canalisation 6, en un point situé entre le recipient 5 et la powpe 7. Une vanne 20 est placée en série sur la eanalisation 19. Une canalisation 21 dont une extrémité est située à l'intérieur de la cuve 17, sensiblemeat à mi-hauteur de cette cuve, traverse la paroi supérieure de la cuve tT, 1 'autre extrémité de la canalisation 21 débou chant à la partie supérieure d'une autre cuve 22 de forme cylindrique à vertical. Une canalisation 23 est branchée en dérivation sur la oenalisation 21 en un point situé dans sa partie extérieure à la cuve 17 et débouche à la partie inférieure de la cuve 22. Deux vannes 24 et 25 sont placées en série sur la canalisation 21, la vanne 24 étant située entre la cuve 17 et la jonction des canalisations 21 et 23, et la vanne 25 étant située entre cette jonction et la cuve 22. Une pompe 26 diseuse à membrane est placée en série sur la canalisation 23. La paroi supérieure de la cuve 22 est munie d'une soupape 27 dont la sortie est reliée à un compteur 28 à travers un système d'épuration 29. Sur la surface cylindrique de la cuve 22 est fixée une enveloppe annulaire 31 munie d'use entrée 32 et d'une sortie 33 de liquide. Le dispositif dec rit ci-dessus et illustré par la figure fonctionne de la manière salivante. Des algues vertes, ramassées par exemple sur une plage au bord de la mer, sont amenées d'abord au poste de hachage 1 pour les diviser en fragments dont la dinsion est de l'ordre du millimètre. Les algues achées sont ensuite soumises à un lavage à 1 'eau au poste 2, de façon à 31ff-iner te sable qu'elles peuvent comporter. Après ce lavage, les =igues sont soumises à un traitement physico-chimique dans le poste 3. ve traitem-nt a pour. effet de diviser les fragments d'algues en très vines particules de façon à augmenter la surface spécifique de la phase bolide de ces algues. La dimension des particules est suffisamment faible pocr dépolymériser partiellement la matière solide des algues certaines :haines unissant les molécules du matériau polymère des algues se trouvetw ainsi rompues. Le traitement effectué dans le poste 3 peut comporter -=n broyage très fin et (ou) un traitement dans un bain de soude suivie d'=ne neutralisation à l'acide. Après ce traitement physico-chi- mique, la suspension ainsi obtenue est de préférence préchauffée dans le poste 4 à ane température de l'ordre de 370C. La suspension sortant du poste 4 est versée dans le récipient conique 5' la vanne 20 étant fermée, la vanne 8 ouverte et la pompe 7 étant mise en marche, de façon à introduire la suspension dans la cuve 9. Cette cuve contient des granulés d'alumine poreuse 34, sur lesquels sont fixés des enzymes qui peuvent etre constitués par un mélange de cellulases et dthémicellulases dont les activités sont adaptées à la transformation en sucres du matériau organique des algues. Les granulés peuvent par exemple etre constitués d'alumine gamma, avoir une dimension comprise entre 100 et 200 micromètres et présenter une surface spécifique de 100 m par gramme. La fixation des enzymes sur les granulés peut être effectuée préalablement par agitation des granulés dans une solution enzymatique tamponnée à pH 4,5. t'introduction de la suspension dans la cuve 9 contenant les granulés crée un lit fluidisé qui est maintenu à une température de 370C par circulation d'un fluide caloporteur dans l'enveloppe 10 de son entrée 11 à sa sortie 12. De préférence la suspension contenue dans le lit fluidisé est soumise à un recyclage permanent qui s'effectue par circulation à travers les canalisations 14 et 15 dans le sens indiqué par les flèches, après mise en marche de la pompe 16, la vanne 18 étant fermée. De plus un-appareil relié à un capteur (non représentes) plongé dans la cuve 9 mesure le pH de la suspension, celui-ci etant maintenu à une valeur sensiblement égale à 6. Le passage de la suspension dans le lit fluidisé transforme en sucres la majeure partie de la phase organique de la suspension. Comme le liquide de la suspension comporte des bactéries d'acidogénèse provenant des algues introduites dans le dispositif, ces bactéries transforment les sucres en acides gras volatils. Bien entendu, le taux d'enzymes immobilisés dans les granulés est choisi de sorte que la concentration en sucres dans la suspension n'atteigne pas le taux d'inhibition de ces enzymes. La soupape 13 permet d'évacuer le gaz carbonique qui se dégage au cours de ces réactions. Le séjour de la suspension dans le lit fluidisé dure quelques jours, cinq jours au maximum. La suspension ayant subi le traitement d'acidogénèse dans la cuve 9 est alors transférée dans la cuve de décantation 17 à travers la canalisation 14, après ouverture de la vanne 18 et arrêt de la pompe 16. Au cours de la décantation, les particules non transformées en acide se concentrent progressivement dans le fond de la cuve 17. La soupape 30 permet d'évacuer le gaz carbonique qui se dégage. La décantation est arrêtée au bout d'un intervalle de temps compris entre 10 et 20 heures. La partie supérieure de la cuve 17 contient alors un liquide décanté constitué par une solution d'acides gras volatils qui est aspirée en dehors de la cuve à travers la canalisation 21, après ouverture de la vanne 24, fermeture de la vanne 25 et mise en marche de la pompe 26. Les résidus de décantation concentrés dans la partie inférieure de la cuve 17 peuvent être renvoyés dans la cuve 9 après ouverture des vannes 20 et 8 et mise en marche de la pompe 7. La solution d'acides gras aspirée à travers la canalisation 21 circule à travers la canalisation 23 dans le sens de la flèche et se trouve injectée à la base de la cuve 22. Cette cuve contient un lit fixe bactérien constitué, par exemple, par en empilement d'anneaux 35 en céramique poreuse, dans lesquels sont immobilisés des bactéries méthanogènes. Ces bactéries peuvent provenir de celles présentes dans les algues qui alimentent le poste de hachage 1, après culture dans un milieu approprié. Elles sont immobilisées dans le lit fixe par adsorption sur des sites actifs superficiels des anneaux. Ceux-ci peuvent etre en alumine alpha frittée à 14000C et présentent des pores de 10 micromètres environ. De préférence on effectue un recyclage de la solution d'acides gras qui traverse le lit fixe, en fermant la vanne 24 et en ouvrant la vanne 25, la pompe 26 étant maintenue en marche. Pendant toute la durée du passage du liquide décanté à travers le lit fixe, la température de la solution est maintenue à une valeur de 370C par circulation d'un liquide caloporteur dans l'enveloppe 31 de son entrée 32 à sa sortie 33. De même le pH de la solution est maintenu à une valeur sensiblement égale à 7,5. Le passage du liquide décanté dans la cuve 22 à travers le lit fixe provoque le dégagement d'un gaz composé de plus de 70% de méthane, de gaz carbonique, de vapeur d'eau et éventuellement d'un peu de H2 S si les algues contiennent du soufre. Ce gaz sort de la cuve par la soupape 27 et traverse un système d'épuration 29 dans lequel la vapeur d'eau est absorbée par un produit approprié et H2 S est fixé sur du charbon actif. Un gaz contenant donc principalement du méthane et un peu de gaz carbonique traverse le compteur 28 pour être utilisé comme combustible. Le temps de passage du liquide décanté dans la cuve 22 peut etre réduit à 5 jours environ. Le taux de demande chimique en oxygène CD. C .0.) peut être réduit de 90%, 95% des acides gras volatils étant consommés. La durée totale du séjour des algues dans le dispositif représenté sur la figure est donc de 10 jours environ ; elle est donc deux fois moins longue que la durée totale de fermentation dans le procédé connu cité plus haut. De plus le procédé selon l'invention permet d'obtenir environ 200 litres de méthane par kilogramme d'algues sèches, soit deux fois plus qu'avec le procédé connu. Dans ces conditions, la récupération d'énergie par combustion du méthane devient rentable. Ces résultats peuvent s'expliquer par les considérations suivantes. Dans le procédé selon l'invention, le traitement préalable oui réduit les algues en une suspension de fines particules, de structure cristalline simplifiée, entraine une augmentation considérable de la vitesse des réactions enzymatiques et bactériennes. Les réactions d'aci dogénèse et de méthanogénèse sont réalisées dans deux cuves distinctes maintenues à des taux d'acidité différents (pH 6 et 7,5) : ces réactions s'effectuent ainsi avec un rendement optimal. Enfin les apports d'enzymes dans le lit fluidisé et de bactéries dans le lit fixe permettent de diminuer de façon importante le temps de séjour des algues dans le dispositif. A titre indicatif, le procédé selon l'invention peut être appliqué au traitement d'ulves récoltées par exemple sur des plages du département des Côtes-du-Nord (France). Les ulves égouttées sont hachées pendant une minute dans un mixeur, puis broyées pendant cinq minutes dans un broyeur à billes. Les billes du broyeur sont de préférence en céramique pour éviter une pollution toxique pour les bactéries. Le broyage peut être remplacé par un traitement à froid, pendant 10 à 15 heures, par une solution de soude à 3 ou 4%, ce traitement étant suivi d'une neutralisation à l'acide acétique jusqu'à l'obtention du pH égal à 6, requis pour l'acidogénèse. Le coût de la consommation de soude et d'acide acétique est partiellement compensé par une augmentation du rendement, car l'acétate formé est transformé en méthane. La suspension introduite dans le bas de la cuve d'acidogénèse par la pompe péristaltique comprend 10% environ de matière sèche. L'hydrolyse enzymatique est effectuée avec un taux de 2 à 3% d'enzymes actives et 30% de granulés d'alumine, en poids, par rapport à la matière sèche. Dans les granulés est fixé un mélange enzymatique comprenant principalement des cellulases et des hémicellulases à activité glucosidase, xylosidase et rhamnosidase. Il est à noter que les enzymes fixées conservent leur pleine activité pendant au moins quinze jours, puis certaines activités décroissent lentement. La durée du séjour dans la cuve d'acidogénèse est de cinq jours durant lesquels une proportion de 53S de la matière organique est solubilisée contre 43% en 6 jours dans une acidogénèse effectuée suivant le procédé connu, sans traitement préalable. Après 15 heures de décantation, la solution d'acides gras volatils, qui comprend essentiellement de l'acide acétique, de l'acide propionique et de l'acide butyrique est injectée dans le bas de la cuve de méthanogénèse. Après 5 jours de temps de rétention, on obtient un volume de méthane égal au volume de la cuve de méthanogénèse, c'est-à-dire environ 250 litres de méthane par kilogramme de matière sèche. Le taux de D.C.0. est réduit de plus de 90 et les acides gras sont consommés dans une proportion supérieure à 95p. Le gaz récupéré contient 75% de méthane. Le procédé selon l'invention peut être aussi rappliqué à la fermentation d'entéromorphes cultivées sur eaux résiduaires.

Claims: REVENDICATIONS 1/ Procédé pour obtenir du méthane par fermentation d'algues, caractérisé en ce qu'il comporte successivement les étapes suivantes - traitement préalable des algues, capable de les transformer en une suspension de fines particules solides dans un liquide , ce traitement étant capable en outre de dépolymériser partiellement la matière solide des algues, - passage de la suspension dans un lit fluidisé contenant des granulés (34) sur lesquels sont immobilisés des enzymes aptes à transformer les particules en sucres, le liquide contenant des bactéries acidogènes aptes à transformer ces sucres en acides gras volatils, - décantation de la suspension, de manière à éliminer les particules solides restantes et à prélever un liquide décanté - et passage du liquide décanté à travers un lit fixe contenant des bactéries méthanogènes fixées sur un support, de manière à provoquer dans ce liquide un dégagement d'un mélange gazeux contenant principalement du méthane. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement préalable comporte un broyage. 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement préalable comporte un traitement à la soude. 4/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le passage de la suspension dans le lit fluidisé comporte un recyclage. 5/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la décantation de la suspension comporte un recyclage vers le lit fluidisé des résidus de décantation. 6/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le passage du liquide décanté à travers le lit fixe comporte un recyclage. 7/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le taux d'enzymes immobilisés dans les granulés (34) est choisi de sorte que la concentration en sucres dans le liquide n'atteigne pas le seuil dinhi- bition des enzymes. 8/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température de la suspension dans le lit fluidisé et celle du liquide décanté dans le lit fixe sont maintenues à une valeur constante de 37du. 9/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pH de la suspensif dans le lit fluidisé est maintenu à 6. 10/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pH du liquide décanté passant à travers le lit fixe est maintenu à 7,5. 11/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce bue les granulés t34) sont en alumine gamma poreuse. 12/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support des bactéries methanogènes est constitué par des anneaux (35) de céramique poreuse. 13/ Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la céramique poreuse est constituée par de l'alumine alpha frittée.

Inventors: PETITBON, ALAIN
Applicants: COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE SOCIETE ANONYME DITE:
Application year: 1985
Main classification: C12P5
IPC codes: C02F11, C12P5, C02F3