EP2231849A2 - Bioréacteur et procédé pour la production de biogaz - Google Patents

Bioréacteur et procédé pour la production de biogaz

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Publication number
EP2231849A2
EP2231849A2 EP08872288A EP08872288A EP2231849A2 EP 2231849 A2 EP2231849 A2 EP 2231849A2 EP 08872288 A EP08872288 A EP 08872288A EP 08872288 A EP08872288 A EP 08872288A EP 2231849 A2 EP2231849 A2 EP 2231849A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carbon dioxide
biogas
bioreactor
content
liquid phase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08872288A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Olivier Bernard
Jonathan Hess
Jean-Philippe Steyer
Eric Latrille
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut National de la Recherche Agronomique INRA
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique INRIA
Original Assignee
Institut National de la Recherche Agronomique INRA
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique INRIA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut National de la Recherche Agronomique INRA, Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique INRIA filed Critical Institut National de la Recherche Agronomique INRA
Publication of EP2231849A2 publication Critical patent/EP2231849A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/02—Percolation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/18—External loop; Means for reintroduction of fermented biomass or liquid percolate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/48—Automatic or computerized control
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to a bioreactor for the production of biogas.
  • the invention also relates to a process for the production of biogas.
  • biogas is conventionally meant a mixture of methane (CH 2) and carbon dioxide (CO 2 ).
  • a biogas is generally created by the biological degradation of organic and / or inorganic substance under anaerobic conditions.
  • methane can also be produced from carbon dioxide and dihydrogen.
  • a biogas is a source of energy because of the main fuel agent it contains, such as methane.
  • This combustible agent is accompanied by other gases, such as dihydrogen (H 2 ), dinitrogen (N 2 ), water (H 2 O), hydrogen sulphide (H 2 S), ammonia as well as alcohols, fatty acids and carbon dioxide (CO 2 ), which are called impurities in the context of biogas.
  • gases such as dihydrogen (H 2 ), dinitrogen (N 2 ), water (H 2 O), hydrogen sulphide (H 2 S), ammonia as well as alcohols, fatty acids and carbon dioxide (CO 2 ), which are called impurities in the context of biogas.
  • the main fuel agent in a biogas is methane (CH *).
  • CH * methane
  • the quality of a biogas is therefore directly related to the weight content of the gas in methane. Therefore, it is crucial to remove the impurities mentioned above.
  • certain impurities including hydrogen sulphide, ammonia and carbon dioxide, can attack, mainly because of their corroding power, machines in which one would use a biogas.
  • biogas is through the biological degradation of organic substances.
  • substances are either agroindustrial waste resulting from the processing of fruit, cereals, grass or vegetables, or waste from wastewater treatment plants or the fermentable fraction of household waste.
  • biogas is conventionally done in bioreactors, where anaerobic microorganisms mixed with the aforementioned organic substances are placed.
  • the mixture forms a bioreactor medium.
  • Organic substances are a source of carbon, nitrogen and energy for microorganisms.
  • the bioreactors allow active regulation of the bioreactor medium, in particular by controlling pH, temperature and pressure.
  • a key aspect of efficient bioreactor management is finding ideal values for variables that affect biogas production. Indeed, research aims to stabilize a bioreactor under desired conditions through active regulation of various parameters.
  • the parameters are generally chosen for a maximum flow rate and therefore a maximum production of biogas.
  • bioreactors comprising controllers capable of acting on the pH to minimize the effect of an organic overload are known.
  • VFAs volatile fatty acids
  • Accumulation would cause a drop in the pH of the bioreactor medium and disrupt the growth of microorganisms.
  • biogas production is cumbersome and difficult to implement, as will be discussed in detail below. This is particularly due to the need to implement effective regulation based on a large number of parameters.
  • the present invention improves the situation.
  • the invention can be applied to a bioreactor for the production of biogas, comprising:
  • liquid phase bioreactor medium acting by biological degradation of organic substances under anaerobic conditions, to produce a fuel gas and carbon dioxide
  • a gaseous phase in exchange with said liquid phase through a liquid-gas interface, said gaseous phase containing the biogas produced, a control unit for regulating the production of biogas, with the introduction of a chemical substance in the liquid phase,
  • the control unit is provided with a control law.
  • This control law comprises a predetermined function that calculates a result value, depending essentially on the carbon dioxide content ( in biogas.
  • the result value represents a desired content of carbon dioxide dissolved in the liquid phase.
  • the control law is arranged in a manner to control a parameter of the introduction of said chemical substance. The steering is in a direction tending to bring the content of dissolved carbon dioxide to said desired content.
  • control comprises a regulation. This can be:
  • PI Integral proportional
  • a regulation of the static type which can take into account a set alkalinity in the liquid phase (Z *), of a set content of dissolved carbon dioxide in the liquid phase and a measured carbon dioxide content in biogas (in the gas phase).
  • static type control and integral proportional control can use the same measured carbon dioxide input years biogas.
  • the bioreactor may comprise a controllable introducer of said chemical substance, such as a valve, this introducer being controlled according to said parameter, and may be placed at a recirculation loop.
  • a controllable introducer of said chemical substance such as a valve
  • the chemical substance capable of acting on the pH of the liquid phase may be an alkaline agent and in particular sodium hydroxide (NaOH), preferentially with a concentration of 50%.
  • the chemical may be an acidic agent such as hydrochloric acid (HCl) or orthophosphoric acid
  • control law chosen is furthermore a function of the alkalinity (Z) and the content of volatile fatty acids (VFA) both measured in the liquid phase, or estimated according to a model described below.
  • the bioreactor medium used for the invention preferably comprises microorganisms capable of synthesizing methane, which is then the agent main fuel of biogas, at least partly.
  • the invention provides a process for the production of biogas, comprising the following steps:
  • step a. includes a measure related to the carbon dioxide content in the liquid and / or gaseous phase, such as a carbon dioxide content measurement in the gas phase, or a measurement of the dissolved bicarbonate content (Bic 1 ) in the liquid phase.
  • a measure related to the carbon dioxide content in the liquid and / or gaseous phase such as a carbon dioxide content measurement in the gas phase, or a measurement of the dissolved bicarbonate content (Bic 1 ) in the liquid phase.
  • step b. includes the following operations:
  • said parameter in step b1. is a flow.
  • said control law comprises a regulation law.
  • the process control law may include integral proportional (PI) control based on a difference between a measured carbon dioxide (CO 2 Gmes ) content in the biogas and a set point
  • the regulation law of the process may comprise a regulation of the static type taking into account a set alkalinity in the liquid phase (Z *), with a reference content of dissolved carbon dioxide in the liquid phase (CO 2 3 *) and a measured carbon dioxide content in biogas.
  • Yet another embodiment uses the same carbon dioxide content input measured in the biogas, for static type regulation and proportional integral control.
  • the introduction of the chemical substance in step b. can be performed by means of an introducer.
  • the introducer is placed at a recirculation loop.
  • the chemical introduced in step b. may be an alkaline agent and in particular sodium hydroxide (NaOH) preferentially at a concentration of 50%.
  • the chemical substance introduced in step b. is an acidic agent such as hydrochloric acid (HCl) or orthophosphoric acid
  • FIG. 1 shows a flowchart representing the main metabolic steps of the production of a biogas
  • FIG. 2 relates to the prior art and represents a bioreactor for the production of a biogas
  • FIG. 3 shows a block diagram of a control law according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 4 schematically and functionally shows a bioreactor for the production of a biogas according to one embodiment of the invention
  • FIG. 5 shows an embodiment of a bioreactor of the invention.
  • MATTIASSON "Monitoring and control of anaerobic upflow fixed-bed reactor for high-loading-rate operation and rejection of disturbance," Biotechnology and Bioengineering, vol. 87, No. 1, p. 44-55, 2004]; [J. LIU, G. OLSSON & B. MATTIASSON, "Extremum-seeking with variable gain control for intensifying biogas production in anaerobic fermentation," Water Science and Technology, vol. 53, No. 4, p. 35-44, 2006] have stabilized the operation of bioreactors.
  • Figure 1 shows the main metabolic steps in the production of a biogas, specifically methane (CH *).
  • Organic substances i.e., biopolymers are degraded by hydrolysis to organic monomers.
  • Lipids, carbohydrates (especially polysaccharides) and proteins are therefore obtained respectively from fatty acids, degraded carbohydrates (in particular, monosaccharides, oligosaccharides) and peptides or amino acids.
  • Hydrolysis is generally catalyzed by exoenzymes of facultative anaerobic microorganisms.
  • the organic monomers are mainly degraded on the one hand organic acids (in particular, butyl acid, propionic acid, acetic acid (CH3COOH), and on the other hand into alcohols (in particular, ethanol) by acidogenesis Among the products of acidogenesis, carbon dioxide (CO2) and hydrogen (H) are also present.
  • acidogenesis carbon dioxide (CO2) and hydrogen (H) are also present.
  • Acetic acid is in the amount of about 20%, the main product of acidogenesis. stage is followed by acetogenesis, during which the organic acids and alcohols produced by acidogenesis, are metabolized to acetic acid.
  • acetic acid (CH3COOH) is metabolized to methane (CH 4 ) by the following reactions:
  • FIG. 2 relates to the prior art and shows a bioreactor for the production of a biogas.
  • the bioreactor includes a fermenter 100, which comprises a liquid phase bioreactor medium L.
  • a biochemical exchange between the liquid phase L and a gas phase G takes place at the interface 102.
  • the document [JE BAILEY & DF OLLIS, Biochemical Engineering Fundamentals, Second Edition, New York: McGraw-Hill, 1986], describes in detail the principles of a bioreactor and more particularly the phase transfer taking place between a liquid phase and a gas phase. It can be referred to, and this document is to be considered incorporated by reference to this description, to supplement it if necessary.
  • a bioreactor for the production of biogas is provided with a control means or "controller” arranged to implement control laws, as described above.
  • the control means commonly include a sensor 104 and a controller CTRL provided with a control law.
  • the number of sensors 104 varies according to the parameters taken into account by the control law.
  • the known variants of a CTLR controller are diverse and all focus on maximizing biogas flow.
  • the biogas comes out in a collector COL, then undergoes purification steps to remove impurities and enrich the biogas methane (CH 4 ).
  • the optimization developed by the applicant is based on an approach totally different from those used in the prior art.
  • the invention involves a regulation of dissolved carbon dioxide (CO ⁇ 1 ) present in the liquid phase L, which allows active control of the content of combustible agent, especially methane, in the biogas.
  • CO ⁇ 1 dissolved carbon dioxide
  • the total exchange surface F F is defined by the formula (1) attached.
  • the flow rate of volumetric gas Q R is defined by the formula (2) attached, where Q B is the bubble frequency at the head of the column.
  • This frequency Q B is defined by the appended formula (3), where the rate of rise V B is given by the appended formula (4), known as the Hadamard-Rybczynski formula for mobile interface bubbles [I. LEIFER & R. K PATRO, "The Bubble Mechanism for Methane Transport Forms the Seabed to the Surface: A Review and Sensitivity Study," Continental Shelf Research, Vol. 22, p. 2409-2428, 2002], where g is gravity.
  • the total number of bubbles N ⁇ is then defined by the formula (5) attached.
  • Kifl is described by the formula (6) attached, where IC L O represents the transfer coefficient per unit area of bubbles.
  • the average flow rate qc of dissolved carbon dioxide (CO 2) in the liquid phase L is expressed by the formula (8) appended, where K H and Pc are respectively the Henry constant and the partial pressure, both for the dioxide of carbon.
  • K H and Pc are respectively the Henry constant and the partial pressure, both for the dioxide of carbon.
  • This model therefore directly relates the quality of the biogas to the content of dissolved carbon dioxide (CO 2 1 ) in the liquid phase L. Therefore, the composition and therefore the quality of the biogas produced in a bioreactor using the model described below. above, is reached by the regulation of dissolved carbon dioxide in liquid phase L.
  • control law in which the model described is implemented.
  • This control law comprises a predetermined function which calculates a result value serving as a parameter for controlling the introduction of a chemical substance in order to vary the content of dissolved carbon dioxide in the liquid phase (CO 2).
  • Figure 3 shows a block diagram of said control law, according to a particular embodiment.
  • the predetermined function of the control law comprises:
  • STAT a law of regulation in static mode
  • the blocks 200 and 300 respectively reflect a measurement of carbon dioxide (CO 3 ) in the gas phase and a measurement of the pH in the liquid phase. Note that the measures mentioned are in no way limiting. In fact, as will be seen below, the bicarbon content or the content of volatile fatty acids in the liquid phase may in particular be measured.
  • Blocks 202 and 302 respectively correspond to the establishment of a reference value of carbon dioxide content (CO 3 *) in the biogas and a reference value of alkalinity (Z *) in the liquid phase.
  • This instruction 302 is calculated as a function of pH measurements and measurements or estimates of the content of volatile fatty acids (VFA) and / or bicabonates (Bic) in the liquid phase.
  • VFA volatile fatty acids
  • Bic bicabonates
  • the method according to one embodiment therefore comprises the measurement in the liquid phase or the estimation of the alkalinity (Z), and / or the content of volatile fatty acids (VFA) and / or bicabonates (Bic).
  • the measurement 200 and the setpoint 202 are used in the control mode integral proportion (PI) of the block 204.
  • the measurement 300 and the instruction 302 are used in the static mode control (STAT) of the block 304.
  • the regulators 204 and 304 here provide respective rates Qu 1 and Q112. These flows are then added to give a total flow Qu.
  • the flow rate corresponds to the rate at which a chemical substance is added to the bioreactor medium in order to vary the content of dissolved carbon dioxide in the liquid phase.
  • the addition of a carbon source (such as, for example, acetate) in the fermenter is accompanied by an addition of a "neutralizing" chemical substance.
  • This substance is therefore an alkaline agent, such as sodium hydroxide (NaOH).
  • Na + ions are not consumed by the bioreactor medium, and lead to an increase in the alkalinity (Z) in the liquid phase, and consequently an increase in the pH.
  • Z alkalinity
  • a higher percentage of methane in the biogas is achieved by a higher dissolution of the liquid phase carbon dioxide.
  • Equation (11) The expression of the alkalinity results from equation (11) of electroneutrality of the liquid phase, that is to say to equilibrium in cations and anions (see annex for the equation).
  • equation (11) In the usual pH range in anaerobic digestion (close to neutral), strong acids and strong bases are completely dissociated, and bases and weak acids are partially dissociated.
  • the main acid / base pairs to be considered are for a pH close to 7: T.
  • the term HAc encompasses the different pairs of weak acids. Equation (11) can then be reduced to equation (12), appended.
  • Cations (especially Z) and anions (especially S ⁇ / ⁇ ) mainly come from strong acids and strong bases, and are not consumed during the degradation of organic matter. As a result, their concentration varies little without external input, and the alkalinity Z is calculated by equation (13), appended.
  • the cation / anion set is stable. This set follows a value related to the carbon source feed (this is called incoming alkalinity). If one takes into account the dissociation constant Kco2 of the CO2 / HCO3 ' pair, equation (13) can also be written in the form of the equation (14) appended. Note that in the range of pH considered, AGV are almost completely dissociated.
  • Equation (14) allows to calculate the concentration in dissolved when alkalinity, pH, and AGV concentration are known. Note that in the absence of alkalinity or AGV measurements, it is possible to replace these quantities by estimates obtained for example by means of software sensors [O. BERNARD, B. CHACHUAT & J. -P. STEYER, State Estimation for Wastewater Treatment Processes. Water Quality Measurements Series, "Wastewater Monitoring, Wiley, 2006]. In particular, these quantities can be estimated from measurements on the flow rate as well as on the composition of the biogas.
  • the control law comprises a regulation law in integral proportional mode (PI), and a regulation law in static mode (STAT).
  • PI integral proportional mode
  • STAT regulation law in static mode
  • the laws of regulation are defined by equations (15) to (20) of the appendix, which are described in a precise manner below.
  • the regulation is governed by the combination of integral proportional control and static control.
  • the total flow rate Q u of chemical substance to be added to the bioreactor is defined by the formula (15) attached.
  • This flow rate Q 11 is composed in the embodiment by the addition of the flow rate Q u j and the flow rate Q U 2-
  • PL Kp Proportional Gain
  • Ki Integral Gain
  • sat (.) is a saturation function, which limits in amplitude the flow rate of the chemical substance applied, and ensures a positive realistic control, that is to say that the result of the computation is maintained at a value zero if this it is negative, and at the maximum value allowed by the pump "Qu m " if it was beyond.
  • the value "Qum” determines the maximum flow chemical substance that can be applied, which will depend on pumps, especially used solenoid valves, but also other constraints, such as economic constraints (cost of the chemical).
  • Q u2 is calculated as a function of STAT static regulation from the appended formula (18).
  • This regulation involves the alkalinity setpoint Z * and makes it possible to control the dissolution of CO 2 . Therefore, the quality of the biogas is conducted in an active way by directly controlling the alkalinity of the digester.
  • Z in and Z u are respectively the alkalinity of the feed (variable over time) and the chemical substance (especially in the alkalinity embodiment of the soda) used for the regulation.
  • the concentration Z u is therefore a fixed quantity according to the chemical substance used.
  • Qi n is the total feed rate and Z is the total alkalinity and ⁇ is a setting gain that sets the speed of convergence of the closed loop system.
  • sat (.) Is a saturation function, which limits in amplitude the flow rate of the applied chemical, ensuring a positive realistic control, and the value determines the maximum rate that can be applied.
  • the set point Z * is defined by the formula (20), and is of course directly dependent on the pH measurements made in a liquid medium and the dissociation constant Kco2 of the CO 2 / HCO3 " pair.Substitute also in the formula (20) a quantity S 2 which is a representative parameter of the AGV, which is obtained either by means of a dedicated sensor, such as an automated titrimeter, or by means of computer evaluation by means of software sensors [O BERNARD, B. CHACHUAT & J.-P. STEYER, "State Estimation for Wastewater Treatment Processes, Water Quality Measurements Series", Wastewater Monitoring, Wiley, 2006].
  • control without the other. It will therefore be possible separately to implement in the predetermined function, included in the control law, either the PI regulation, or the STAT regulation, or both at the same time.
  • a measurement unit U.MES using various sensors measures the magnitudes involved in the predetermined function.
  • a CO 2 sensor 106 measuring the percentage of carbon dioxide in the biogas for the measurement of the carbon dioxide content in the biogas ( and a pH sensor 108 for measuring the pH in the liquid phase, which substantially correspond to the blocks 200 and 300.
  • the measurements made by the measurement unit U.MES serve as input variables for a control unit U. COM.
  • the control unit is a complex controller that includes the control law described above and comprising a predetermined function FUNC which implements, according to the embodiment described here, the control laws PI and STAT.
  • the assembly consisting of measurements carried out by the unit U.MES and instructions CONS allows to drive the regulation of the bioreactor according to the regulation defined by the formulas (15) to (20).
  • This conduct is done by means of an introducer INT, which comprises in the described mode an alkaline container 110 and an acid container 112, according to whether the embodiment tends to increase or decrease the CO 2 content of the biogas.
  • the INT introducer is thus arranged to selectively control the addition of chemical substance to vary the content of CO 2 dissolved in the fermenter 100. This is done via a result value, calculated by the predetermined function. This result value serves as a parameter for said regulation.
  • the parameter can actuate a control valve to control a flow.
  • the introducer can operate at a recirculation loop 114, as shown in Figure 4. This loop ensures a rapid homogenization of the chemical in the reactor.
  • FIG. 5 comprises a bioreactor of the type described in the document [IP. STEYER et al., "Evaluation of a Four Year Experience With a Fully Instrumented Anaerobic Digestion Process". Water Science and Technology, Vol 45, No. 4-5, pp. 495-502, 2002]. This document is to be considered as incorporated herein by reference and the reader is invited to refer to it.
  • a fermenter 100 ascending fixed bed was used for the implementation of the invention.
  • the fermenter 100 is of circular column type with a height of about 3.5m, a diameter of about 0.6m, and a volume of about Im 3 . Fermentors of this type are generally made of Cloisonyl.
  • the bioreactor is provided with a storage tank 500 which allows the carbon source feed as described above (in particular industrial vinasses).
  • a selection system 501 makes it possible to discriminate between the entry of the content coming from the storage tank 500 and a water inlet 502.
  • the carbon source either sterile nor homogeneous
  • the water are mixed at a reservoir 504 dilution for form an inlet mixture.
  • the flow of the inlet mixture is ensured and regulated by a peristaltic pump 508. This flow rate is controlled by a feed flow sensor 510. Upstream of the fermenter 100, there is a heat exchanger 512 which is in direct communication with a heater 514. The heat exchanger 512 allows a regulation of the temperature of the input mixture, poured into the fermenter 100. Generally, the temperature is at about 35 ° C and is controlled by a temperature sensor 516. The feed liquid enters the lower part in the fermenter 100. The liquid is then homogenized by a mixing pump 518. In the embodiment described, the bioreactor is provided with a recirculation loop whose flow is ensured and regulated by a recirculation pump 542.
  • the recirculation liquid joins the supply liquid at the heat exchanger. 512.
  • the bioreactor comprises two systems for measuring and regulating pH. On the one hand there is a system on the input mixture side, comprising an alkaline reservoir 530, a pump 532 and a pH sensor 506. At the recirculation loop, there is another alkaline reservoir 534, another pump 536 and a pH sensor 538.
  • the supply of NaOH is exclusively on the recirculation loop side so that the distribution of sodium hydroxide is rapidly homogeneous in the reactor.
  • the bottom of the fermenter is provided with a sewer outlet 520 allowing in particular the evacuation of waste.
  • the collection of the biogas is done by a 550 exit from the top of the fermenter.
  • a container 539 allows recovery of the overflow liquid.
  • a part of the overflow liquid is sent into the recirculation loop (about 150 1 / h), another part is sent to the outlet of the sewer 520.
  • the biogas produced by the bioreactor is controlled by a CH 4 / CO 2 analyzer 544, an H 2 546 sensor and a gas flow meter 548.
  • the bioreactor is generally provided with a dryer (not shown) which removes moisture by cooling the biogas.
  • the gas flow meter 548 is generally of the type comprising an electromagnetic float.
  • the H 2 546 sensor makes it possible to measure the concentration of hydrogen in the biogas by means of an analyzer of the AMS 6400 H 2 type (from the company Pekly Hermann-Moritz).
  • the H 2 546 sensor is very sensitive to the hydrogen sulphides contained in the biogas.
  • CHjZCO the sensor 2544 is of the type Ultramat 22P (from Siemens) and allows the measurement of the percentage of carbon dioxide and methane of biogas.
  • the fermenter 100 is provided with a pressure sensor 522, as well as an analysis loop. In this loop is an ultrafiltration membrane 522 with a diameter of about 10 mm, a filtration area of about 0.045 m 2 and allowing an elimination of particles exceeding about 0.14 microns.
  • the recirculation is ensured by a pump 525, and the filtrate analysis is done by a Total Organic Carbon Analyzer (COT) 526 and a titrimetric sensor 528 allowing the analysis of the total alkalinity (AT), the partial alkalinity (AP), the total volatile fatty acid (VFA) content, and the bicarbonate content (Bic).
  • COT Total Organic Carbon Analyzer
  • AP partial alkalinity
  • VFA total volatile fatty acid
  • Bic bicarbonate content
  • the control unit (not shown in FIG. 5) is located in particular at the level of the recirculation loop
  • the invention allows a stabilization around set values, and results in particular in a biogas of low carbon dioxide content.
  • the invention therefore guarantees the production of a biogas rich in combustible agent. This results in the production of a rich gas in terms of energy.
  • the invention provides active regulation that optimizes the performance of a bioreactor. This optimization is synonymous with maximum production of the purest possible biogas fuel agent.
  • the bioreactor (as well as the corresponding method) uses microorganisms capable of synthesizing methane (CH 4 ). This is not limiting, and the invention can be applied to other biogas.
  • Annex 1 is not limiting, and the invention can be applied to other biogas.

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Abstract

L'invention vise un bioréacteur pour la production de biogaz. Le bioréacteur comprend une unité de commande pour réguler la production de biogaz par introduction d'une substance chimique en phase liquide. L'unité de commande est munie d'une loi de commande comprenant une fonction prédéterminée qui calcule une valeur résultat, en fonction essentiellement de la teneur en dioxyde de carbone dans le biogaz. La valeur résultat représente une teneur désirée en dioxyde de carbone dissous en phase liquide. La loi de commande est agencée pour piloter un paramètre de l'introduction de ladite substance chimique. Le pilotage se fait dans un sens tendant à amener la teneur en dioxyde de carbone dissous vers ladite teneur désirée. D'autre part, l'invention vise un procédé pour la production d'un biogaz selon lequel une loi de commande est propre à faire varier la teneur en dioxyde de carbone dissous en phase liquide d'un bioréacteur, dans un sens tendant à amener la teneur en dioxyde de carbone dissous vers une teneur désirée.

Description

Bioréacteur et procédé pour la production de biogaz
L'invention se rapporte à un bioréacteur pour la production de biogaz. L'invention se rapporte également à un procédé pour la production de biogaz.
Par biogaz, on entend classiquement un mélange de méthane (CHj) et de dioxyde de carbone (CO2). Un biogaz se créé généralement par la dégradation biologique de substance organique et/ou inorganique dans des conditions en anaérobie. Par ailleurs, le méthane peut aussi être produit à partir de dioxyde de carbone et de dihydrogène.
Un biogaz est source d'énergie en raison de l'agent combustible principal qu'il contient, tel que le méthane. Cet agent combustible est accompagné d'autres gaz, comme le dihydrogène (H2), le diazote (N2), de l'eau (H2O), le sulfure d'hydrogène (H2S), l'ammoniaque ainsi que des alcools, des acides gras et du dioxyde de carbone (CO2), ce que l'on qualifie d'impuretés dans le cadre des biogaz.
Dans la plupart des cas, l'agent combustible principal dans un biogaz est donc le méthane (CH*). La qualité d'un biogaz est de ce fait directement liée à la teneur en poids du gaz en méthane. Par conséquent, il est crucial d'éliminer les impuretés citées ci-dessus. De plus, certaines impuretés, et notamment le sulfure d'hydrogène, l'ammoniaque et le dioxyde de carbone, peuvent agresser, principalement en raison de leur pouvoir corrodant, les machines dans lesquelles on utiliserait un biogaz.
Comme mentionné plus haut, la production des biogaz se fait par la dégradation biologique de substances organiques. Ces substances sont soit des déchets agroindustriels issus de la transformation de fruits, de céréales, d'herbe ou de légumes, soit des résidus des stations de traitements des eaux usées ou encore la fraction fermentescible d'ordures ménagères.
La production de biogaz se fait classiquement dans des bioréacteurs, où sont placés des microorganismes anaérobies mélangés aux substances organiques précités. Le mélange forme un milieu bioréacteur. Les substances organiques sont source de carbone, d'azote et d'énergie pour les microorganismes.
Les bioréacteurs permettent une régulation active du milieu bioréacteur par notamment un contrôle de pH, de température et de pression.
Un aspect essentiel d'une conduite efficace des bioréacteurs est de trouver des valeurs idéales des variables ayant une action sur la production de biogaz. En effet, les recherches visent à stabiliser un bioréacteur dans des conditions souhaitées à travers une régularisation active de divers paramètres.
Dans l'art antérieur, les paramètres sont généralement choisis en vue d'un débit maximum et donc d'une production maximale de biogaz. On connaît notamment, des bioréacteurs comprenant des contrôleurs, capable d'agir sur le pH pour minimiser l'effet d'une surcharge organique. En conséquence, une accumulation d'acides gras volatils (AGV) est modérée. L'accumulation entraînerait une chute du pH du milieu bioréacteur et perturberait la croissance des microorganismes.
En l'état actuel de la technique, la production de biogaz est lourde et difficile à mettre en œuvre, comme on le verra en détail plus loin. Cela tient notamment à la nécessité de mettre en œuvre une régulation efficace reposant sur un nombre important de paramètres.
La présente invention vient améliorer la situation.
A cet effet, l'invention peut s'appliquer à un bioréacteur pour la production de biogaz, comprenant :
un milieu bioréacteur en phase liquide, agissant par dégradation biologique de substances organiques dans des conditions anaérobies, pour produire un gaz combustible et du dioxyde de carbone,
une phase gazeuse, en échange avec ladite phase liquide à travers une interface liquide-gaz, ladite phase gazeuse contenant le biogaz produit, une unité de commande pour réguler la production de biogaz, avec introduction d'une substance chimique dans la phase liquide,
Selon un aspect de l'invention, l'unité de commande est munie d'une loi de commande. Cette loi de commande comprend une fonction prédéterminée qui calcule une valeur résultat, en fonction essentiellement de la teneur en dioxyde de carbone ( dans le biogaz. La valeur résultat représente une teneur désirée en dioxyde de carbone dissous dans la phase liquide. Par ailleurs, la loi de commande est agencée d'une manière à piloter un paramètre de l'introduction de ladite substance chimique. Le pilotage se fait dans un sens tendant à amener la teneur en dioxyde de carbone dissous vers ladite teneur désirée.
Selon un autre aspect de l'invention, la commande comprend une régulation. Celle- ci peut être :
- une régulation en mode proportionnel intégral (PI) sur la base d'un écart entre une teneur en dioxyde de carbone mesurée dans le biogaz et une valeur de consigne et/ou
- une régulation du type statique, qui peut tenir compte d'une alcalinité consigne en phase liquide (Z*), d'une teneur consigne en dioxyde de carbone dissous en phase liquide et d'une teneur en dioxyde de carbone mesurée dans le biogaz (en phase gazeuse).
Il faut noter que la régulation du type statique et la régulation en mode proportionnel intégral peuvent utiliser la même entrée de teneur en dioxyde de carbone mesuré ans le biogaz.
Le bioréacteur peut comprendre un introducteur pilotable de ladite substance chimique, tel qu'une vanne, cet introducteur étant piloté en fonction dudit paramètre, et peut être placé au niveau d'une boucle de recirculation.
La substance chimique capable d'agir sur le pH de la phase liquide peut être un agent alcalin et notamment de l'hydroxyde de sodium (NaOH), préférentiellement à une concentration de 50%. D'autre part, la substance chimique peut être un agent acide tel que de l'acide chlorhydrique (HCl) ou orthophosphorique
Selon un mode de réalisation, la loi de commande choisie est en outre fonction de l'alcalinité (Z) et la teneur en acides gras volatils (AGV) toutes deux mesurées en phase liquide, ou estimés selon un modèle décrit plus loin.
Le milieu bioréacteur utilisé pour l'invention comprend de préférence des microorganismes capables de synthétiser du méthane qui est alors l'agent combustible principal du biogaz, pour partie au moins.
Sur un autre plan, l'invention vise un procédé pour la production de biogaz, comprenant les étapes suivantes :
a. faire des mesures en phase liquide et/ou gazeuse sur le bioréacteur, et
b. réguler la production de biogaz en fonction de ces mesures, avec introduction d'une substance chimique en phase liquide.
Selon un aspect de l'invention, l'étape a. comprend une mesure reliée à la teneur en dioxyde de carbone dans la phase liquide et/ou gazeuse, telle qu'une mesure de la teneur en dioxyde de carbone en phase gazeuse, ou une mesure de la teneur en bicarbonate dissous (Bic1) en phase liquide.
Selon un autre aspect de l'invention, l'étape b. comprend les opérations suivantes:
bl . piloter l'introduction de ladite substance chimique, à partir d'un paramètre,
b2. calculer une valeur résultat représentant une teneur désirée en dioxyde de carbone dissous dans la phase liquide, à partir d'une fonction prédéterminée tenant compte de la teneur en dioxyde de carbone mesurée à l'étape a.,
b3. réguler ledit paramètre selon une loi de commande propre à faire varier la teneur en dioxyde de carbon dissous, dans un sens tendant à amener la teneur en dioxyde de carbone ssous vers ladite teneur désirée.
Selon un mode de réalisation ledit paramètre à l'étape bl. est un débit.
Selon un autre mode de réalisation, à l'étape b3. ladite loi de commande comprend une loi de régulation.
La loi de régulation du procédé peut comprendre une régulation en mode proportionnel intégral (PI) sur la base d'un écart entre une teneur en dioxyde de carbone mesurée (CO2 Gmes) dans le biogaz et une valeur de consigne
Selon un autre mode de réalisation, la loi de régulation du procédé peut comprendre une régulation du type statique tenant compte d'une alcalinité consigne en phase liquide (Z*), d'une teneur consigne en dioxyde de carbone dissous en phase liquide (CO2 3*) et d'une teneur en dioxyde de carbone mesurée dans le biogaz.
Encore un autre mode de réalisation utilise la même entrée de teneur en dioxyde de carbone mesurée dans le biogaz, pour la régulation du type statique et la régulation en mode proportionnel intégral.
L'introduction de la substance chimique à l'étape b. peut être réalisée au moyen d'un introducteur. De préférence, l'introducteur est placé au niveau d'une boucle de recirculation.
La substance chimique introduite à l'étape b. peut être un agent alcalin et notamment de l'hydroxyde de sodium (NaOH) préférentiellement à une concentration de 50%. Selon un autre mode de réalisation la substance chimique introduite à l'étape b. est un agent acide tel que de l'acide chlorhydrique (HCl) ou orthophosphorique
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après et sur les figures annexées sur lesquelles : - la figure 1 montre un organigramme représentant les principales étapes métaboliques de la production d'un biogaz,
- la figure 2 est relative à l'art antérieur et représente un bioréacteur pour la production d'un biogaz,
- la figure 3 montre un schéma de principe d'une loi de commande selon un mode de réalisation de l'invention.
- la figure 4 représente d'une manière schématique et fonctionnelle, un bioréacteur pour la production d'un biogaz selon un mode de réalisation de l'invention, et
- la figure 5 représente un mode de réalisation d'un bioréacteur de l'invention.
Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Hs font partie intégrante de la description, et pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
Par ailleurs, les formules invoquées dans la description sont réunies dans l' annexe 1, qui fait également partie intégrante de la description.
On revient maintenant sur l'état de la technique.
Les contrôleurs classiques de bioréacteurs reposent soit sur des lois de commandes simples "tout-ou-rien" (TOR), proportionnelle (P), ou encore proportionnelle intégrale (PI) [S. P. GRAEF & J. F. ANDREWS, « Mathematical modeling and control of anaerobic digestion », Water, vol. 70 de AIChE Symposium Séries, 1973.], soit sur des lois de commandes linéarisantes. On connaît également des contrôleurs asymptotiques [L. MAILLERET, O. BERNARD & J. -P. STEYER, « Robust régulation of anaerobic digestion process », Water Science and Technology, vol. 48, no 6, p. 87-94, 2003] ; [L. MAILLERET, O. BERNARD & J.-P. STEYER, « Nonlinear adaptative control for bioreactors with unknown kinetics », Automatica, vol. 40, p. 1379-1385, 2004]. Ces contrôleurs sont toutefois limités, dans le sens où ils sont directement dépendants de paramètres parfois difficiles à choisir.
Le document [P. RENARD, V. VAN BREUSEGEM, M.-T. NGUYEN, H. NAVEAU & E.-J. NYNS, « Implementation of an Adaptative Conroller for the Startup and Steady-State Running of a Biomethanation Process Operated in the CSTR », Biotechnology and Bioengineering, vol. 38, no 8, p. 805-812, 1991] ; décrit des lois de commandes linéarisantes adaptives. Les contrôleurs basés sur des lois de commandes linéarisantes adaptives, permettent de limiter la dérive. Ceci est dû à une étape d'estimation en-ligne des paramètres à utiliser dans la loi de commande.
D'autre part, l'introduction d'un réseau de neurones [J. GUWY, F. R. HAWKES, S. J. WILCOX & D. J. HAWKES, « Neural Network and On-Off Control of Bicarbonate Alkalinity in a Fluidised-Bed Anaerobic Digesten>, Water Research, vol. 31, no 8, p. 2019-2025, 1997] ou celle de systèmes à base de règles [J. LIU & B. MATΗASSON, « Control of anaerobic reactor towards maximum production », Water Science and Technology, vol. 50, p. 189-198, 2004] ; [J. LIU, G. OLSSON & B. MATTIASSON, « Monitoring and control of an anaerobic upflow fixed-bed reactor for high-loading-rate opération and rejection of disturbances », Biotechnology and Bioengineering, vol. 87, no 1, p. 44-55, 2004] ; [J. LIU, G. OLSSON & B. MATTIASSON, « Extremum-seeking with variable gain control for intensifying biogas production in anaerobic fermentation », Water Science and Technology, vol. 53, no 4, p. 35-44, 2006] ont permis une stabilisation du fonctionnement de bioréacteurs.
La conception d'un contrôleur avec sa loi de commande implique un choix difficile des paramètres à prendre en compte. En d'autres termes, pour une conduite/régularisation idéale d'un bioréacteur, il faut préalablement définir de manière précise : quelles grandeurs mesurer, comment réaliser les mesures de ces grandeurs, comment utiliser ces informations de mesure, quelles actions entreprendre, et comment calculer la commande à appliquer.
En fait, les différentes approches de l'art antérieur tendent à maximiser les débits de production de biogaz. Le demandeur s'est orienté vers une approche radicalement différente, selon laquelle on privilégie la composition du biogaz, remarque étant faite que le biogaz sera d'autant plus intéressant sur un plan énergétique, que sa teneur en gaz combustible sera plus élevée.
Très brièvement, on rappelle maintenant les principes généraux de la métabolisation de substances organiques par des bactéries en milieu anaérobie.
La figure 1 montre les principales étapes métaboliques de la production d'un biogaz, et plus précisément de méthane (CH*). Des substances organiques, à savoir des biopolymères sont dégradés par hydrolyse en monomères organiques. On aboutit donc respectivement à partir de lipides, de carbohydrates (notamment, polysaccharides) et de protéines, à des acides gras, des carbohydrates dégradés (notamment, monosaccharides, oligosaccharides), et des peptides ou acides aminés. L'hydrolyse est généralement catalysée par des exoenzymes de microorganismes anaérobie facultative. Conjointement à l'hydrolyse, les monomères organiques sont principalement dégradés d'une part en acides organiques (notamment, acide butylique, acide propionique, acide acétique (CH3COOH), et d'autre part en alcools (notamment, éthanol) par l'acidogenèse. Parmi les produits de l'acidogenèse on retrouve également du dioxyde de carbone (CO2) et de l'hydrogène (H). L'acide acétique est avec une quantité d'environ 20%, le produit principal de l'acidogenèse. Cette étape est suivie par l'acétogenèse, pendant laquelle les acides organiques et alcools produits par l'acidogenèse, sont métabolisés en acide acétique. Lors d'une dernière étape, à savoir la méthanogenèse, l'acide acétique (CH3COOH) est métabolisé en méthane (CH4) par les réactions suivantes :
La figure 2 est relative à l'art antérieur et montre un bioréacteur pour la production d'un biogaz. Il s'agit d'un schéma fonctionnel et simplifié. Le bioréacteur comprend un fermenteur 100, lequel comprend un milieu bioréacteur en phase liquide L. Un échange biochimique entre la phase Liquide L et une phase gazeuse G à lieu au niveau de l'interface 102. Le document [J.E. BAILEY & D.F. OLLIS, Biochemical Engineering Fundamentals, Second Edition, New York: McGraw-Hill, 1986], décrit en détail les principes d'un bioréacteur et plus spécialement du transfert de phase ayant lieu entre une phase liquide et une phase gazeuse. On pourra s'y référer, et ce document est à considérer comme incorporé par référence à la présente description, pour la compléter au besoin.
Généralement, un bioréacteur pour la production de biogaz est muni d'un moyen de commande ou « contrôleur » agencé pour implémenter des lois de commandes, comme décrit plus haut. Les moyens de contrôles comprennent couramment un capteur 104 et un contrôleur CTRL muni d'une loi de commande. Le nombre de capteurs 104 varie selon les paramètres pris en compte par la loi de commande. Les variantes connues d'un contrôleur CTLR sont diverses et se concentrent toutes sur la maximisation du débit en biogaz. Au final, le biogaz sort dans un collecteur COL, pour ensuite subir des étapes de purification en vue d'éliminer les impuretés et d'enrichir le biogaz en méthane (CH4).
Le demandeur a découvert non sans surprise, qu'un modèle dit "simplifié" du transfert de phase gaz/liquide, permet d'obtenir un biogaz d'une forte teneur en gaz combustible. Ceci permet non seulement l'obtention d'un gaz plus riche en termes d'énergie, mais également d'alléger les étapes de purification ultérieures. Le demandeur a appliqué ledit modèle "simplifié" au niveau d'une loi de commande pour une optimisation de la qualité d'un biogaz.
Comme mentionné plus haut, l'optimisation mise au point par le demandeur, est basée sur une approche totalement différente de celles utilisés dans l'art antérieur. En effet, l'invention implique une régulation du dioxyde de carbone dissous (CO∑1) présent dans la phase liquide L, ce qui permet un contrôle actif de la teneur en agent combustible, notamment en méthane, dans le biogaz.
Le document "Mechanistic KLO modeling in an up-flow anaerobic digester - Proceedings of MATHMOD'06 conférence - Hess and Bernard; 2006", décrit un modèle mécaniste du débit de transfert gaz/liquide Kiβ. pour la détermination de dioxyde de carbone dissous en phase liquide L.
Ce modèle, complexe, fait intervenir les grandeurs indiquées dans le tableau I ci- après.
S'il peut rendre compte correctement du fonctionnement d'un bioréacteur, un tel modèle est par contre impropre à une conduite efficace de la régulation du bioréacteur. En effet, dans ce cas, les paramètres de régulation doivent être déterminés et fixés ; on ne peut alors pas incorporer un tel modèle dans une loi de commande pour bioréacteur sans l'adapter, ni définir une stratégie de commande spécifique ; enfin, et surtout, il est pour le moins problématique que la régulation puisse converger vers un optimum, lorsqu'elle dépend d'un nombre aussi élevé de paramètres.
Les demandeurs ont cherché à simplifier ce modèle, tout en conservant l'essentiel de sa qualité, d'une part, et en rendant possible son usage en régulation, d'autre part. Ils ont découvert expérimentalement une relation directe, et sensiblement linéaire, entre la concentration en dioxyde de carbone dissous en phase liquide, et la teneur en dioxyde de carbone dans le biogaz Bien évidement, la constante de proportionnalité découverte entre C est différente de la constante de Henry. Ils ont pu montrer ensuite que cette relation simplifiée est compatible avec le modèle complexe précité, comme on le verra maintenant.
La surface d'échange totale £F est définie par la formule (1) annexée. Le débit de gaz volumétrique QR est défini par la formule (2) annexée, où QB est la fréquence de bulle en tête de colonne. Cette fréquence QB est définie par la formule (3) annexée, où la vitesse de montée VB est donnée par la formule (4) annexée, connue sous le nom de formule de Hadamard-Rybczynski pour bulles à interface mobile [I. LEIFER & R. K PATRO, « The bubble mechanism for méthane transport form the shallow sea bed to the surface : A review and sensitivity study », Continental Shelf Research, vol. 22, p. 2409-2428, 2002], où g est la gravité. Le nombre total de bulles Nτ se défini alors par la formule (5) annexée. Selon le modèle de l'invention, le Kifl est décrit par la formule (6) annexée, où ICLO représente le coefficient de transfert par unité de surface de bulles.
Une expression du transfert de phase gaz/liquide selon l'invention est définie par la formule (7) annexée, laquelle découle des équations (1) à (6). On constatera une relation linéaire entre le Kjβ. et le débit de gaz. Cette relation est l'une des bases essentielles de la présente invention.
Le débit moyen qc de dioxyde de carbone dissous (CO^) en phase liquide L est exprimé par la formule (8) annexée, où KH et Pc sont respectivement, la constante d'Henry et la pression partielle, tous deux pour le dioxyde de carbone. En exprimant la pression partielle Pc en utilisant les débits de CH4 et de CO2 et en remplaçant Kna par l'équation (7), on aboutit au modèle "simplifié" de l'invention, qui est défini par la formule (9) de l'annexe 1, et où PT est la pression totale dans le ciel gazeux du réacteur et /est une grandeur sans dimension définie par la formule (10) annexée.
Ce modèle met donc directement en relation la qualité du biogaz et la teneur de dioxyde de carbone dissous (CO2 1) en phase liquide L. Par conséquent, la composition et donc la qualité du biogaz produit dans un bioréacteur utilisant le modèle décrit ci-dessus, est atteinte par la régulation du dioxyde de carbone dissous en phase liquide L.
Le demandeur a défini une loi de commande dans laquelle est implémenté le modèle décrit. Cette loi de commande comprend une fonction prédéterminée qui calcule une valeur résultat servant de paramètre pour piloter l'introduction d'une substance chimique en vue de faire varier la teneur en dioxyde de carbone dissous en phase liquide (CO^).
La figure 3 montre un schéma de principe de ladite loi de commande, selon un mode de réalisation particulier. Selon le mode de réalisation décrit ici, la fonction prédéterminée de la loi de commande comprend :
- une loi de régulation en mode proportionnel intégral (PI), et
- une loi de régulation en mode statique (STAT).
Les blocs 200 et 300 reflètent respectivement une mesure de dioxyde de carbone (CO∑3) en phase gazeuse et une mesure du pH en phase liquide. Notons que les mesures citées ne sont aucunement limitatives. En effet, comme on le verra plus loin on pourra notamment mesurer la teneur en bicarbonales ou la teneur en acides gras volatils en phase liquide.
Les blocs 202 et 302 correspondent respectivement à l'établissement d'une valeur consigne de teneur en dioxyde de carbone (COj3*) dans le biogaz et d'une valeur consigne d'alcalinité (Z*) en phase liquide. Cette consigne 302 est calculée en fonction de mesures de pH et de mesures ou d'estimations de la teneur en acides gras volatils (AGV) et/ou en bicabonates (Bic) en phase liquide. Dans la suite de la présente description on entendra par valeur consigne une valeur (concentration, grandeur) désirée que l'on vise à atteindre.
Le procédé selon un mode de réalisation comprend donc la mesure en phase liquide ou l'estimation de l'alcalinité (Z), et/ou de la teneur en acides gras volatils (AGV) et/ou en bicabonates (Bic).
Ici, la mesure 200 et la consigne 202 sont utilisées dans la régulation en mode proportionnel intégral (PI) du bloc 204. De leur côté, la mesure 300 et la consigne 302 sont utilisées dans la régulation en mode statique (STAT) du bloc 304.
Les régulations 204 et 304 fournissent ici des débits respectifs Qu1 et Q112. Ces débits sont ensuite additionnés pour donner un débit total Qu. Dans ce mode de réalisation, le débit correspond au débit avec lequel une substance chimique est ajoutée au milieu bioréacteur en vue de faire varier ladite teneur en dioxyde de carbone dissous en phase liquide
Selon un mode de réalisation, l'ajout de source de carbone (comme par exemple de l'acétate) dans le fermenteur, s'accompagne d'un ajout d'une substance chimique "neutralisante". Cette substance est donc un agent alcalin, comme la soude (NaOH). Les ions Na+ ne sont pas consommés par le milieu bioréacteur, et entraînent une augmentation de l'alcalinité (Z) en phase liquide, et consécutivement une augmentation du pH. Au final, on atteint donc un plus fort pourcentage de méthane dans le biogaz, par une dissolution plus importante du dioxyde de carbone en phase liquide.
On revient maintenant plus en détail sur l'alcalinité Z. Cette notion fait apparaître le lien direct entre la teneur de dioxyde de carbone ) et la teneur en bicarbonates tout deux dissous en phase liquide. Ce lien est intéressant en raison des difficultés rencontrées pour une mesure directe de la teneur en dioxyde de carbone dissous en phase liquide, notamment à cause d'un encrassement très rapide des sondes dans un milieu très chargé en bactéries et en particules. En effet, la mesure de la teneur en bicarbonates dissous est aisément réalisable au moyen d'un appareillage du type titrimètre (détaillé plus loin), et le lien entre ces teneurs, permet de déterminer la teneur de dioxyde de carbone dissous en phase liquide.
L'expression de l'alcalinité découle de l'équation (11) d'électroneutr alité de la phase liquide, c'est-à-dire à l'équilibre en cations et anions (voir annexe pour l'équation). Dans la gamme de pH usuelle en digestion anaérobie (proche de la neutralité), les acides forts et bases fortes se retrouvent entièrement sous forme dissociée, et les bases et acides faibles sont partiellement dissociés. Les principaux couples acide/base à considérer sont pour un pH proche de 7 : T. Le terme HAc, englobe les différents couples des acides faibles. L'équation (11) peut alors se réduire à l'équation (12), annexée.
Des cations (notamment Z ) et des anions (notamment Sθ/~) proviennent majoritairement des acides forts et des bases fortes, et ne sont pas consommés au cours de la dégradation de la matière organique. De ce fait leur concentration varie peu sans apport extérieur, et on calcule l'alcalinité Z par l'équation (13), annexée.
Comme invoqué ci-dessus, l'ensemble cations/anions est stable. Cet ensemble suit une valeur liée à l'alimentation en source de carbone (c'est ce qu'on appelle l'alcalinité entrante). Si l'on tient compte de la constante de dissociation Kco2 du couple CO2/HCO3', l'équation (13), peut également s'écrire sous la forme de l'équation (14) annexée. Notons que dans la gamme de pH considérée, les AGV sont quasi complètement dissociés.
L'équation (14) permet de calculer la concentration en dissous lorsqu'on connaît l'alcalinité, le pH et la concentration en AGV. Notons que en l'absence de mesures d'alcalinité ou d'AGV, il est possible de remplacer ces grandeurs par des estimations obtenues par exemple par le biais de capteur logiciels [O. BERNARD, B. CHACHUAT & J. -P. STEYER, « State Estimation for Wastewater Treatment Processes. Water Quality Measurements Séries », Wastewater Monitoring, Wiley, 2006]. Notamment ces grandeurs peuvent être estimées à partir de mesures sur le débit ainsi que sur la composition du biogaz.
On revient maintenant plus en détail sur la loi de commande. Le Demandeur a observé qu'à partir de la formule (9), il est possible de calculer la teneur consigne en dioxyde de carbone dissous en phase liquid pour obtenir ladite teneur consigne en dioxyde de carbone dans le biogaz. Dans le mode de réalisation décrit, la loi de commande comprend une loi de régulation en mode proportionnel intégral (PI), et une loi de régulation en mode statique (STAT). Les lois de régulations sont définies par les équations (15) à (20) de l'annexe, lesquelles sont décrites d'une manière précise ci-après. La régulation est régie par la combinaison de la régulation proportionnelle intégrale et de la régulation statique.
Le débit Qu total de substance chimique à ajouter au bioréacteur est défini par la formule (15) annexée. Ce débit Q11 se compose dans le mode de réalisation par l'addition du débit Quj et du débit QU2-
Qui est calculé en fonction d'une régulation proportionnelle intégrale PI à partir de la formule (16) annexée. est représentatif de la substance à ajouter en fonction de l'écart ε entre la qualité du biogaz mesurée et celle voulue Dans ce système PL Kp (gain proportionnel) et Ki (gain intégral) sont des paramètres de réglage que l'utilisateur devra ajuster pour affiner les performances du contrôleur. sat(.) est une fonction de saturation, qui limite en amplitude le débit de la substance chimique appliqué, et assure une commande réaliste positive, c'est- à-dire que le résultat du calcul est maintenu à une valeur nulle si celui-ci est négatif, et à la valeur maximale admissible par la pompe "Qum" si il était au delà. La valeur "Qum", détermine le débit maximum substance chimique qui peut être appliqué, qui dépendra des pompes, électrovannes notamment utilisées, mais aussi d'autres contraintes, comme par exemple des contraintes économiques (coût de la substance chimique).
Qu2 est calculé en fonction d'une régulation statique STAT à partir de la formule (18) annexée. Cette régulation fait intervenir la consigne d'alcalinité Z* et permet de piloter la dissolution du CO2. Par conséquent, la qualité du biogaz est conduite d'une manière active en contrôlant directement l'alcalinité du digesteur. Zin et Zu sont respectivement l'alcalinité de l'alimentation (variable au cours du temps) et de la substance chimique (notamment dans le mode de réalisation l'alcalinité de la soude) utilisée pour la régulation. La concentration Zu est donc une grandeur fixe selon la substance chimique employée. Qin est le débit total d'alimentation et Z l'alcalinité totale et λ est un gain de réglage qui fixe la vitesse de convergence du système en boucle fermée. Comme pour la régulation PI, sat(.) est une fonction de saturation, qui limite en amplitude le débit de la substance chimique appliqué, en assurant une commande réaliste positive, et la valeur détermine le débit maximum qui peut être appliqué.
La consigne Z* est définie par la formule (20), et est bien évidement directement dépendante des mesures de pH effectués en milieu liquide et de la constante de dissociation Kco2 du couple CO2/HCO3". Intervient aussi dans la formule (20) une grandeur S2 qui est un paramètre représentatif des AGV, qui est obtenu soit à l'aide d'un capteur dédié, tel qu'un titrimètre automatisé, soit à l'aide d'évaluation informatique par le biais de capteurs logiciels [O. BERNARD, B. CHACHUAT & J. -P. STEYER, « State Estimation for Wastewater Treatment Processes. Water Quality Measurements Séries », Wastewater Monitoring, Wiley, 2006].
Le calcul de la consigne Z* dépend également de la teneur consigne en dioxyde de carbone (CO2 1*) en phase liquide. Cette consigne est définie par la formule (19) annexée.
Actuellement, selon d'autres modes de réalisation, on pourra utiliser une régulation sans l'autre. On pourra donc séparément implémenter dans la fonction prédéterminée, comprise dans la loi de commande, soit la régulation PI, soit la régulation STAT, soit les deux à la fois.
L'implémentation de la loi de commande dans un bioréacteur est représentée de manière fonctionnelle et schématique sur la figure 4. Une unité de mesure U.MES au moyen de divers capteurs, mesure les grandeurs intervenant au niveau de la fonction prédéterminée. Dans le mode de réalisation décrit, il apparaît un capteur CO2 106 mesurant le pourcentage de dioxyde de carbone dans le biogaz pour la mesure de la teneur en dioxyde de carbone dans le biogaz ( et un capteur pH 108 pour la mesure du pH en phase liquide, qui correspondent sensiblement aux blocs 200 et 300. Les mesures réalisées par l'unité de mesure U.MES servent de grandeurs d'entrées pour une unité de commande U. COM. L'unité de commande est un contrôleur complexe qui comprend la loi de commande décrite plus haut et comprenant une fonction prédéterminée FUNC qui implémente, selon le mode de réalisation décrit ici, les lois de régulation PI et STAT. L'ensemble constitué de mesures effectuées par l'unité U.MES et de consignes CONS permet de conduire la régulation du bioréacteur selon la régulation définie par les formules (15) à (20). Cette conduite se fait au moyen d'un introducteur INT, lequel comprend dans le mode décrit un récipient alcalin 110 et un récipient acide 112, selon si le mode de réalisation tend à augmenter ou à diminuer la teneur en CO2 du biogaz. L'introducteur INT est donc agencé pour piloter sélectivement l'ajout de substance chimique pour faire varier la teneur en CO 2 dissous dans le fermenteur 100. Ceci se fait par l'intermédiaire d'une valeur résultat, calculée par la fonction prédéterminée. Cette valeur résultat sert de paramètre pour ladite régulation. Notamment, le paramètre peut actionner une valve de régulation pour piloter un débit. L'introducteur peut opérer au niveau d'une boucle de recirculation 114, comme le montre la figure 4. Cette boucle assure une homogénéisation rapide de la substance chimique au sein du réacteur.
Selon un mode de réalisation, l'invention est mise en œuvre sur une installation bioréacteur du type représenté sur la figure 5. La figure 5 comprend un bioréacteur du type décrit dans le document [IP. STEYER et al., « Evaluation of a Four Year Expérience With a Fully Instrumented Anaerobic Digestion Process ». Water Science and Technology, vol 45. n°4-5, pp. 495-502, 2002]. Ce document est à considérer comme étant incorporé ici par référence et le lecteur est invité à s'y référer.
Un fermenteur 100 en lit fixe ascendant a été utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention. Le fermenteur 100 est du type à colonnes circulaires d'une hauteur d'environ 3,5m, d'un diamètre d'environ 0,6m, et d'un volume d'environ Im3. Des fermenteurs de ce type, sont généralement faits en Cloisonyl. Le bioréacteur est muni d'un réservoir de stockage 500 qui permet l'alimentation en source de carbone telle que décrit plus haut (notamment vinasses industrielles). Un système de sélection 501 permet de discriminer entre l'entrée du contenu provenant du réservoir de stockage 500 et une entrée d'eau 502. La source de carbone (ni stérile ni homogène) et l'eau sont mélangées au niveau d'un réservoir de dilution 504 pour former un mélange d'entrée. Le débit du mélange d'entrée est assuré et régulé par une pompe péristaltique 508. Ce débit est contrôlé par un capteur de débit d'alimentation 510. En amont du fermenteur 100, se trouve un échangeur de chaleur 512 qui est en communication directe avec un réchauffeur 514. L' échangeur de chaleur 512 permet une régulation de la température du mélange d'entrée, versé dans le fermenteur 100. Généralement, la température se situe à environ 35°C et est contrôlée par un capteur de température 516. Le liquide d'alimentation entre en partie basse dans le fermenteur 100. Le liquide est alors homogénéisé par une pompe de mélange 518. Dans le mode de réalisation décrit, le bioréacteur est muni d'une boucle de recirculation dont le débit est assuré et régulé par une pompe de recirculation 542. Ce débit est contrôlé par un capteur de débit de recirculation 540. Le liquide de recirculation rejoint le liquide d'alimentation au niveau de l'échangeur de chaleur 512. Le bioréacteur comprend deux systèmes de mesure et de régulation de pH. D'une part on trouve un système du côté du mélange d'entrée, comprenant un réservoir alcalin 530, une pompe 532 et un capteur pH 506. Au niveau de la boucle de recirculation, se trouve un autre réservoir alcalin 534, une autre pompe 536 et un capteur pH 538. Selon un mode préféré, l'alimentation en NaOH se fait exclusivement du coté boucle de recirculation de manière à ce que la distribution de la soude soit rapidement homogène dans le réacteur. Le fond du fermenteur est muni d'une sortie d'égout 520 permettant notamment l'évacuation de déchets. La collecte du biogaz se fait par une sortie 550 par le haut du fermenteur. Un récipient 539 permet la récupération du liquide de débordement. Une partie du liquide de débordement est envoyée dans la boucle de recirculation (environ 150 1/h), une autre partie est envoyée à la sortie d'égout 520. Le biogaz produit par le bioréacteur est contrôlé par un analyseur CH4/CO2 544, un capteur H2 546 et un débit-mètre de gaz 548. Le bioréacteur est généralement munie d'un sécheur (non représenté) qui élimine l'humidité par refroidissement du biogaz. Le débit-mètre de gaz 548 est généralement du type comprenant un flotteur électromagnétique. Le capteur H2 546 permet la mesure de la concentration d'hydrogène dans le biogaz au moyen d'un analyseur du type AMS 6400 H2 (de la société Pekly Hermann-Moritz). Le capteur H2 546 est très sensible aux sulfures d'hydrogène contenus dans le biogaz. Le capteur CHjZCO2 544 est du type Ultramat 22P (de la société Siemens) et permet la mesure du pourcentage en dioxyde de carbone et en méthane du biogaz. Par ailleurs, le fermenteur 100 est muni d'un capteur de pression 522, ainsi que d'une boucle d'analyse. Dans cette boucle se trouve une membrane d'ultrafiltration 522 d'un diamètre d'environ 10 mm, d'une surface de filtration d'environ 0,045 m2 et permettant une élimination de particules dépassant environ 0,14 μm. La recirculation est assurée par une pompe 525, et l'analyse de filtrat se fait par un analyseur Carbone Organique Total (COT) 526 et un capteur titrimétrique 528 permettant l'analyse de l'alcalinité totale (AT), l'alcalinité partielle (AP), la teneur totale en acide gras volatile (AGV), et la teneur en bicarbonate (Bic). L'unité de commande (non représenté dur la figure 5) est notamment située au niveau de la boucle de recirculation
L'invention permet une stabilisation autour de valeurs consignes, et aboutit notamment à un biogaz de faible teneur en dioxyde de carbone. L'invention garantit donc une production d'un biogaz riche en agent combustible. Ceci entraîne la production d'un gaz riche en termes d'énergie. D'autres part, l'invention offre une régulation active qui optimise les performances d'un bioréacteur. Cette optimisation est synonyme d'une production maximale de biogaz le plus pur possible en agent combustible.
Bien évidemment, l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci- avant mais englobe toutes les réalisations que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications annexées.
Ainsi, dans les modes de réalisation décrits, le bioréacteur ( de même que le procédé correspondant) utilise des microorganismes capables de synthétiser du méthane (CH4). Cela n'est pas limitatif, et l'invention peut s'appliquer à d'autres biogaz. Annexe 1
Bases Application

Claims

Revendications.
1. Bioréacteur pour la production de biogaz, comprenant :
5 - un milieu bioréacteur en phase liquide, agissant par dégradation biologique de substances organiques dans des conditions anaérobies, pour produire un gaz combustible et du dioxyde de carbone,
une phase gazeuse, en échange avec ladite phase liquide à travers une o interface liquide-gaz, ladite phase gazeuse contenant le biogaz produit,
une unité de commande pour réguler la production de biogaz, avec introduction d'une substance chimique dans la phase liquide, 5 caractérisé en ce que l'unité de commande est munie d'une loi de commande comprenant une fonction prédéterminée qui calcule une valeur résultat, en fonction essentiellement de la teneur en dioxyde de carbone dans le biogaz, ladite valeur résultat représentant une teneur désirée en dioxyde de carbone dissous dans la phase liquide, et en ce que la loi de commande est agencée pour0 piloter un paramètre de l'introduction de ladite substance chimique dans un sens tendant à amener la teneur en dioxyde de carbone dissous vers ladite teneur désirée.
2. Bioréacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit paramètre est un5 débit.
3. Bioréacteur selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la loi de commande comprend une loi de régulation.
0 4. Bioréacteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la loi de régulation comprend une régulation en mode proportionnel intégral (PI) sur la base d'un écart entre une teneur en dioxyde de carbone mesurée ) dans le biogaz et une valeur de consigne
5. Bioréacteur selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la loi de régulation comprend une régulation du type statique tenant compte d'une alcalinité consigne en phase liquide (Z*), d'une teneur consigne en dioxyde de carbone dissous en phase liquide (Cϋ/*) et d'une teneur en dioxyde de carbone mesurée (CO/Η dans lebiogaz.
6. Bioréacteur selon la revendication 5 prise en combinaison avec la revendication 4, caractérisé en ce que la régulation du type statique et la régulation en mode proportionnel intégral utilisent la même entrée de teneur en dioxyde de carbone mesurée (Cθ2Gmes) dans le biogaz.
7. Bioréacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bioréacteur comprend un introducteur pilotable de ladite substance chimique, cet introducteur étant piloté en fonction dudit paramètre.
8. Bioréacteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'introducteur pilotable est placé au niveau d'une boucle de recirculation.
9. Bioréacteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la substance chimique est un agent alcalin.
10. Bioréacteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'agent alcalin est de liiydroxyde de sodium (NaOH), et préférentiellement de lliydroxyde de sodium à une concentration de 50%.
11. Bioréacteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la substance chimique est un agent acide, tel que de l'acide chlorhydrique (HCl) ou orthophosphorique (H2PO4).
12. Bioréacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la loi de commande est en outre fonction de l'alcalinité (Z) et la teneur en acides gras volatils (AGV) toutes deux mesurées en phase liquide ou estimées.
13. Bioréacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu bioréacteur comprend des microorganismes capables de synthétiser du méthane (CH4). s
14. Bioréacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz combustible comprend du méthane (
15. Procédé pour la production de biogaz dans un bioréacteur, comprenant leso étapes suivantes :
a. faire des mesures en phase liquide et/ou gazeuse sur le bioréacteur, et
b. réguler la production de biogaz en fonction de ces mesures, avec5 introduction d'une substance chimique en phase liquide, et
caractérisé en ce que l'étape a. comprend une mesure reliée à la teneur en dioxyde de carbone dans la phase liquide et/ou gazeuse, telle qu'une mesure de la teneur ( ) en dioxyde de carbone en phase gazeuse, ou une mesure de la teneur en o bicarbonate dissous en phase liquide,
et en ce que l'étape b. comprend les opérations suivantes :
bl. piloter l'introduction de ladite substance chimique, à partir d'un paramètre,5 b2. calculer une valeur résultat représentant une teneur désirée en dioxyde de carbone / dissous dans la phase liquide, à partir d'une fonction prédéterminée tenant compte de la teneur en dioxyde de carbone (Cθ2Gmes) mesurée à l'étape a.,
0 b3. réguler ledit paramètre selon une loi de commande propre à faire varier la teneur en dioxyde de carbone ( /) dissous, dans un sens tendant à amener la teneur en dioxyde de carbone dissous vers ladite teneur désirée.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que à l'étape bl. ledit paramètre est un débit.
17. Procédé selon l'une des revendications 15 à 16, caractérisé en ce que à l'étape b3. ladite loi de commande comprend une loi de régulation.
18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que la loi de régulation comprend une régulation en mode proportionnel intégral (PI) sur la base d'un écart entre une teneur en dioxyde de carbone mesurée (Cθ2Gmes) dans le biogaz et une valeur de consigne
19. Procédé selon l'une des revendications 17 ou 18, caractérisé en ce que la loi de régulation comprend une régulation du type statique tenant compte d'une alcalinité consigne en phase liquide (Z*), d'une teneur consigne en dioxyde de carbone dissous en phase liquide (Cθ2G*) et d'une teneur en dioxyde de carbone mesurée (CO2 Gmes) dans le biogaz.
20. Procédé selon la revendication 19 prise en combinaison avec la revendication 18, caractérisé en ce que la régulation du type statique et la régulation en mode proportionnel intégral utilisent la même entrée de teneur en dioxyde de carbone mesurée ( dans le biogaz.
21. Procédé selon l'une des revendications 15 à 20, caractérisé en ce que l'introduction de la substance chimique à l'étape b. est réalisée au moyen d'un introducteur.
22. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que l'introducteur est placé au niveau d'une boucle de recirculation.
23. Procédé selon l'une des revendications 15 à 22, caractérisé en ce que la substance chimique introduite à l'étape b. est un agent alcalin.
24. Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce que l'agent alcalin est de lliydroxyde de sodium (NaOH), et préférentiellement de rhydroxyde de sodium à une concentration de 50%.
25. Procédé selon l'une des revendications 15 à 22, caractérisé en ce que la substance chimique introduite à l'étape b. est un agent acide, tel que de l'acide chlorhydrique (HCl) ou orthophosphorique (H2PO4).
26. Procédé selon l'une des revendications 15 à 25, caractérisé en ce que l'étape a. comprend en outre la mesure en phase liquide, ou l'estimation de : - l'alcalinité (Z), et
- la teneur en acides gras volatils (AGV).
27. Procédé selon l'une des revendications 15 à 26, caractérisé en ce que le bioréacteur comprend un milieu bioréacteur en phase liquide comprenant des microorganismes capables de synthétiser du méthane ).
28. Procédé selon l'une des revendications 14 à 26, caractérisé en ce que le biogaz produit comprend du méthane (
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