EP2943574A1 - Procédé de production d'éthanol à partir de déchets organiques, et installation pour la mise en uvre dudit procédé - Google Patents

Procédé de production d'éthanol à partir de déchets organiques, et installation pour la mise en uvre dudit procédé

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EP2943574A1
EP2943574A1 EP14703141.3A EP14703141A EP2943574A1 EP 2943574 A1 EP2943574 A1 EP 2943574A1 EP 14703141 A EP14703141 A EP 14703141A EP 2943574 A1 EP2943574 A1 EP 2943574A1
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EP
European Patent Office
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fermentation
reactor
ethanol
organic waste
fraction
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14703141.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
Théodore BOUCHEZ
Charlotte RICHARD
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Institut National de Recherche pour lAgriculture lAlimentation et lEnvironnement
Original Assignee
Institut National de Recherche en Sciences et Technologies pour Lenvironnement et lAgriculture IRSTEA
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 Recherche en Sciences et Technologies pour Lenvironnement et lAgriculture IRSTEA filed Critical Institut National de Recherche en Sciences et Technologies pour Lenvironnement et lAgriculture IRSTEA
Publication of EP2943574A1 publication Critical patent/EP2943574A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
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    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing ethanol from organic waste containing biodegradable materials, such as waste from household waste, and the installation for carrying out said method.
  • the present invention is in the general context of the production of biofuel, that is to say a liquid hydrocarbon from the biomass.
  • Biofuels have the advantage of being a source of renewable energy because the materials from which they come are quickly reconstituted.
  • biofuels have the advantage of being a source of renewable energy because the materials from which they come are quickly reconstituted.
  • biofuels There are currently three generations of biofuels:
  • biofuels that are produced directly from "food” products, ie from sugar (sugar cane, sugar beet) or starch (corn, wheat, cassava) plants, the sugar being fermented directly in ethanol
  • - second-generation biofuels that are produced directly from "non-food” products, namely from lignocellulosic biomass (containing cellulose, hemicelluloses and lignin), and
  • a first object of the present invention is to propose a production method ethanol, which is simple and rustic, not requiring a pretreatment step.
  • the present invention relates more particularly to a process for producing bioethanol from organic waste containing biodegradable materials, such as fermentable materials and lignocellulosic materials, such as waste from household waste.
  • yeasts are the reference organisms for the production of bioethanol (and are used for the production of bioethanol first and second generation), and that bacteria are also able to synthesize ethanol, and especially able to degrade the waste unlike yeasts.
  • the current bioethanol production tests from household waste have been implemented with introduction of bacterial inoculum, for example an inoculum from a household waste methanizer.
  • the inoculum must sometimes be separated beforehand and cultured for several weeks prior to its use in the fermenter.
  • Another object of the invention is to provide a process for the production of bioethanol from organic waste containing biodegradable materials, which does not require the monitoring of complex parameters, or pretreatment step, or the prior preparation of a particular inoculum.
  • biodegradable materials such as fermentable materials and lignocellulosic materials
  • relative humidity greater than 60%, preferably greater than 80%
  • the method being characterized in that the energy required for the optional step of regulating the temperature of the anaerobic reactor and / or necessary for the ethanol concentration or separation step is provided by the energy produced by a operation of treatment or storage of the solid fraction of fermented, partially fermented or non-fermented organic waste, said treatment or storage operation being carried out in particular in a methanizer, an incinerator or a storage center with recovery and recovery of biogas.
  • the process according to the present invention is thus a rustic and inexpensive process. Unlike the methods of the prior art, it does not require heavy pretreatments either.
  • the endogenous flora of the household waste contains mainly populations of bacteria of the Bacilli Class during fermentation in the anaerobic reactor, according to a first embodiment of the invention. at temperatures between 15 ° C and 50 ° C when the pH is around the threshold value of 6.5.
  • This bacteria population of the Bacilli class then represents at least 60% preferably at least 70%, more preferably at least 80% of the total bacterial population in the anaerobic reactor, the measurement being carried out by sequencing the rDNA and the phylogenetic affiliation of the sequences carried out by bioinformatic analysis, in particular using QIIME software (Quantitative Insights Into Microbial Ecology, by Caporaso, Kuczynski et al., Nature Methods, 7 (5): 335-336, 2010)
  • the organic waste introduced into the anaerobic reactor contains a fermentable and lignocellulosic fraction of at least 20% by weight, preferably at least 25% by weight (fraction measured in the dry state).
  • the pH may advantageously still be at a value greater than the threshold values described above.
  • the interruption of the fermentation is carried out before the pH value of said liquid fraction falls below the value of 5, 8, preferably does not fall below the value of 6, 0.
  • a high degree of relative humidity is necessary, ie greater than 60%, this relative humidity can advantageously be greater than 70%, more preferably greater than 80%.
  • the fermentation is conducted with total or partial immersion in the water of organic waste placed in said reactor.
  • the immersion water is advantageously buffered to a pH of between 6 and 9, preferably between 6.5 and 8.
  • the fermentation is conducted under continuous or intermittent sprinkling and percolation of water through the organic waste placed in said reactor.
  • the spraying water is buffered at a pH of between 6 and 9, preferably between 6.5 and 8, preferably with a recirculation of the water of spraying and percolation through the organic waste during fermentation in said reactor.
  • the leachate loaded with ethanol is then collected when its pH reaches the chosen threshold value or before this threshold value is reached.
  • This pH value can be obtained most often between 2 and 5 days of anaerobic operation in a humid environment of the reactor, at a temperature of between about 15 ° C. and 50 ° C.
  • the step of concentration or separation of the ethanol from the liquid fraction (leachate) is carried out by a technique chosen from distillation, pervaporation, or gaseous stripping.
  • the fermentation in the anaerobic reactor is regulated at a temperature of between 50 ° C. and 80 ° C., resulting in a population of bacteria containing predominantly bacteria of the genus Thermoanaerobacter.
  • the selection of these thermophilic bacteria may advantageously come from the endogenous flora of the reactor, in particular from the flora of the household waste.
  • the ethanol produced can be easily extracted from the fermentation reactor by gaseous stripping.
  • the energy required for the regulation of the temperature and / or the step of concentration or separation of ethanol is provided by the energy produced by the treatment or the storage of the solid fraction of organic waste.
  • the treatment or storage operation can be performed in a methanizer, an incinerator or a storage center with recovery and recovery of biogas.
  • the method according to the present invention is a rustic process, requiring little or no external energy for its implementation.
  • the gas produced during the fermentation which may contain hydrogen for example, may advantageously be also sent to a methanizer, preferably the same as that which receives the solid fraction of fermented organic waste.
  • This gas produced during the fermentation is advantageously, before sending to the methanizer, rid in particular of the ethanol produced, preferably by condensation or adsorption.
  • the present invention also relates to the installation for implementing the method described above, characterized in that it comprises:
  • a first anaerobic organic waste fermentation reactor containing biodegradable materials, such as fermentable materials and lignocellulosic materials, equipped with a liquid inlet, for immersing or spraying said waste, and an outlet liquid, called leachate and / or a gas outlet produced during the fermentation,
  • a second reactor of the methanizer or incinerator or storage center type, intended to receive at least one solid fraction of the fermented, partially fermented or non-fermented organic waste and to produce energy;
  • said ethanol concentration and / or separation device being coupled to the second reactor, of the methanizer or incinerator or storage center type, and being able to use at least partially the energy produced within this second reactor.
  • the gas outlet of the first fermentation reactor is coupled to the second methanizer-type reactor for sending the gas produced during the fermentation to be used for the production of methane.
  • Figure 1 shows the pH curves obtained during a fermentation according to Example 1
  • Figure 2 shows the production curves of ethanol at 35 ° C at different pH according to Example 1;
  • Figure 3 shows comparisons of ethanol production at 20 ° C and 35 ° C at different pHs according to Example 2;
  • Figure 4 shows the ethanol production at 70 ° C according to Example 2.
  • Figure 5 shows the pH variation as a function of the inoculum according to Example 3
  • Figure 6 shows the production of ethanol as a function of the amount of inoculum as a function of time according to Example 3;
  • Figure 7 shows the evolution of the fermentation pH of the different biodegradable fractions of waste from household waste
  • FIGS. 8A, 8B and 8C show the production of volatile fatty acids (VFA) and ethanol of various biodegradable fractions of garbage from household waste;
  • Figure 9 shows the bacterial ARISA profiles during the fermentation of different biodegradable fractions of waste from household waste
  • FIG. 10 shows the evolution of the pH during fermentation with different levels of dry matter
  • Figures 11A and 11B show the production of volatile fatty acids (VFA) and ethanol at different dry matter contents (DM);
  • FIG. 12 presents an installation for implementing the ethanol production process according to the present invention incorporating a reactor capable of producing energy.
  • Figure 13 shows the results of sequencing in fermentation experiments without inoculum.
  • the organic waste tested contains biodegradable materials such as fermentable materials and lignocellulosic materials.
  • biodegradable materials such as fermentable materials and lignocellulosic materials.
  • the composition of this waste from reconstituted household waste is presented in detail in Table 1 below.
  • fermentable material is meant throughout the text of rapidly fermentable materials, corresponding to the materials of the category “putrescible” Table 1.
  • Example 1 Influence of i. inoculum
  • the sludge was centrifuged (10 000 g for 15 min at 4 ° C.) and aliquoted (100 ml of sludge) and then stored at -80 ° C.
  • the characteristics of the inoculum are as follows: 65% MS, 14.22% MV, MV / MS 39.89%. ii. Middle
  • the medium is an aqueous medium with phosphate buffers to stabilize the pH (200 mM strength, Table 2). Three pHs were tested: the initial pHs of these buffers were 2.5, 5 and 8. The pHs of the different incubations were then respectively stabilized at 4.5, 5.2 and 6.6. It is these latter pH values (stabilizing pH) that are noted in Figures 1, 2 and 3.
  • the inoculum (1.72 g), the medium (140 mL) and the substrate (10 g) were mixed in a 330 mL glass bottle to obtain a dry matter concentration of 5% and an inoculum / substrate ratio. 1/25 in terms of MV.
  • the bottles were then closed with a rubber septum and a metal ring.
  • the experiments being performed under anaerobic conditions, the oxygen was removed from the gas, using a vacuum ramp (Swagelock). In order to obtain a dioxygen volume percentage of less than 0.3%, five Empty cycles / N 2 are performed.
  • the gas used is an inert gas, the dinitrogen (Purity 4, 5, Linde Gas SA).
  • the gaseous skies of the bottles are analyzed using a microGC (micro-gas chromatography, Varian microGC CP4900 apparatus).
  • This device is equipped with 4 parallel chromatographic circuits with TCD detection.
  • the carrier gas used is argon (purity 5.0, Linde Gas SA) and for the others it is helium (purity 6.0, Linde Gas SA). This checks the percentage of desired oxygen.
  • the reactors were then placed at 35 ° C. ( ⁇ 2 ° C.) with stirring at 110-120 rpm.
  • the ethanol produced is analyzed through a GC-MS gas chromatograph-mass spectrometer coupling.
  • the gas chromatograph uses a capillary column (TR-WAX: length 30 m, internal diameter 0.25 mm) with a polyethylene glycol phase (thickness 0.25 ⁇ m).
  • TR-WAX capillary column
  • the molecules are separated in the GC column according to their retention time, then broken into ionized fragments in the mass spectrometer. These fragments are then detected thanks to their mass to charge ratio noted m / z.
  • This coupling makes it possible to identify and quantify the alcohols produced, in particular ethanol and butanol.
  • the liquid fraction taken from the fermentation flasks is placed in closed glass tubes.
  • these glass tubes are heated at 90 ° C for 10 minutes to pass the ethanol, present in the liquid fraction, in the vapor phase. Then with a syringe of 2.5 mL (HD Type Syringe, CTC Analytics) mounted on the autosampler (TriPlus sampler) a 1 mL aliquot of this vapor is taken through the septum of the tube, and directly injected into the chromatograph (the syringe being at 100 ° C to prevent condensation on its walls). The initial temperature of the oven is 45 ° C and then increases by 5 ° C / min until reaching 100 ° C, then increases from 50 ° C / min to the temperature of 200 ° C maintained for 2 minutes.
  • a syringe of 2.5 mL (HD Type Syringe, CTC Analytics) mounted on the autosampler (TriPlus sampler) a 1 mL aliquot of this vapor is taken through the septum of the tube, and directly injected into the chromatograph (the syringe being at 100
  • the temperature of the injector is 200 ° C (split mode, flow of 40mL / min, ratio 20), the transfer line and the source are at 220 ° C.
  • Helium is used as a carrier gas to a flow of 2mL / min. Calibration of the apparatus was performed with standards of 0, 1, 0.25, 0, 5, 1, 5, 10 and 25 mg / L.
  • Example 2 Influence of the temperature The tests were carried out under the same conditions as that of Example 1, only the temperature was modified to compare the results at 20 ° C. and at 35 ° C. These results are presented on the Figure 3 (the pH values are the values after stabilization).
  • the advantage of working at 20 ° C is to reduce energy expenditure.
  • the pH is initially buffered to 8.
  • the pH of the various fractions tested did not stabilize at the same values (FIG. 7).
  • the pH of the putrescible incubation stabilized at 5.2, that of the paper / cardboard fraction at 7.5 and that of the textile fraction varied between 8.5 and 7.5. These variations are probably due to to very different fermentations according to the incubated fraction ( Figure 8).
  • the stabilization pH of the different fractions differs from that observed during the incubations carried out in the preceding examples with all the biodegradable fractions (stabilization at pH 6.5).
  • FIGS. 8A The various fermentation profiles observed are shown in FIGS. 8A (putrescible fraction), 8B (paper-board fraction) and 8C (textile fraction).
  • VFAs volatile fatty acids
  • the major AGV is butyric acid, followed by acetic acid. There is also a large production of formic acid.
  • the production of ethanol is also the largest (800 mg / L) and no degradation phenomenon was found. It is noted that the production of ethanol mainly took place during the first two days, when the pH was higher than 5, 5. The increase in the concentration of ethanol is then low. It is the same for AGV. Incubation of the paper / cardboard fraction also gives rise to a low production of AGV mainly of acetic acid. Significant ethanol production was also observed with a maximum day 4 concentration of 230 mg / L. It is however interesting to have been able to observe ethanol production from this fraction and this after a relatively short incubation period, since paper and cardboard generally represent more than 20% of the wet mass of household waste.
  • the number of sequences is 4249 for the total fraction, 8051 for the putrescible fraction and 6424 for the paper / cardboard fraction.
  • the number of OTUs (Operational Taxonomic Units) is similar for each sample, it is respectively 46, 40 and 44.
  • the diversity was estimated thanks to the Shannon index whose values are respectively 2.9 , 2, 9, and 3,4.
  • the sequences are mainly attributed to the genus Clostridium (more than 90% of the sequences) (see Figure 13). Another genus has also been found, this is Bacillus.
  • Example 5 Influence of the Dry Matter (DM) Content
  • the fermentation of the biodegradable fraction of the household waste was carried out with dry matter DM contents of 5% and 13%.
  • Example 6 Installation
  • the bioethanol production process described in the preceding examples, can be coupled to a waste processing unit producing energy.
  • Different embodiments can be envisaged, for example coupling to a treatment of organic waste by anaerobic digestion, the process coupled to waste treatment by incineration or storage of non-hazardous waste with recovery and transformation of biogas.
  • the present example describes the coupling of the reactor 1 (fermenter) ethanol production according to the invention to an organic waste treatment unit by methanization (methanizer 3) (see Figure 12).
  • the organic waste is introduced into the first reactor 1 (fermentor) batch type fed-batch or piston, having a residence time of 1 to 7 days (preferably 1 to 4 days). Moisture in the form of water, effluents or low-level waste is added to this incoming waste in order to obtain a dry matter percentage of waste of between 5 and 30%.
  • the pH is controlled and if necessary regulated between 3 and 8 (preferentially between 5 and 7).
  • the gas produced during the fermentation which may contain hydrogen, is sent to the methanizer 3 because it can be used for the production of methane and therefore energy.
  • a solid / liquid separation step makes it possible to send the liquid fraction only (in part or in full) to a distillation column 2 which comprises between 3 and 50 stages in order to concentrate the ethanol.
  • the distillation may optionally be preceded or followed by other techniques in order to improve the concentration of the ethanol.
  • the energy supply of the distillation column 2 is provided in part or in full by the thermal and / or electrical energy produced in a co-generator 4 by recovery of biogas methanation.
  • the methanizer 3 is fed with the solid fraction resulting from the solid / liquid separation step at the outlet of the fermenter 1, possibly with a portion of the liquid fraction from said fermenter 1 and optionally with other types of organic waste entering the reactor. 'installation.
  • the methanizer is also fed with the gas produced during the fermentation, preferably previously free of its possible fraction of ethanol by condensation or adsorption. Vinasse from distillation, possibly cooled via a heat exchanger or any other process, returns to the methanizer 3.
  • the production of biogas at the level of the methanizer 3 makes it possible to produce electricity, thanks to a co-generation engine, which can be used in the installation and / or sent to the network.
  • the thermal and electrical energy generated by the recovery or the treatment of the biogas can be used to heat the fermenter 1, and / or the methanizer 3 and / or to be used for the separation or concentration process of the ethanol, it is to say here the distillation.

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Abstract

Procédé de production d'éthanol à partir de déchets organiques renfermant par fermentation des matières fermentescibles et des matières lignocellulosiques dans un réacteur dans des conditions anaérobies et d'humidité relative supérieure à 60 %, interrompue lorsque la fraction liquide atteint un pH de 4,5 puis récupération de la fraction liquide et/ou gazeuse produite, renfermant de l'éthanol, et séparation/concentration de l'éthanol, caractérisé en ce que l'énergie nécessaire à la régulation de la température et/ou la concentration/séparation de l'éthanol est apportée par le traitement de la fraction solide des déchets fermentés dans un méthaniseur. Installation pour la mise en oeuvre du procédé avec envoi dans le méthaniseur du gaz du fermenteur.

Description

PROCEDE DE PRODUCTION D'ETHANOL A PARTIR DE DECHETS ORGANIQUES, ET INSTALLATION POUR LA MISE EN ŒUVRE DUDIT PROCEDE
La présente invention concerne un procédé de production d'éthanol à partir de déchets organiques renfermant des matières biodégradables, tels que des déchets issus d'ordures ménagères, ainsi que l'installation pour la mise en œuvre dudit procédé.
La présente invention se situe dans le contexte général de la production de biocarburant, c'est-à-dire un hydrocarbure liquide issu de la biomasse. Les biocarburants présentent l'avantage d'être une source d'énergie renouvelable car les matières dont ils sont issus se reconstituent rapidement. On distingue actuellement trois générations de biocarburants :
- les biocarburants de première génération qui sont produits directement à partir de produits "alimentaires", à savoir à partir de plantes sucrières (canne à sucre, betterave à sucre) ou amylacées (maïs, blé, manioc), le sucre étant directement fermenté en éthanol
- les biocarburants de deuxième génération qui sont produits directement à partir de produits "non-alimentaires", à savoir à partir de biomasse lignocellulosique (renfermant de la cellulose, des hémicelluloses et de la lignine), et
- les biocarburants de troisième génération qui sont produits directement à partir de microalgues. Les résultats obtenus avec les biocarburants de première génération présentant un bilan environnemental discutable, les recherches actuelles portent notamment sur les biocarburants de deuxième génération ; cependant les premiers développements de ces procédés s'avèrent onéreux, en effet ils nécessitent l'obtention des sucres fermentescibles par voie chimique ou par voie enzymatique. Dans ce dernier cas, un prétraitement est nécessaire afin de faciliter l'hydrolyse de la fraction cellulosique et éventuellement hémicellulosique.
Certains travaux se sont donc tournés vers des matières premières bon marché, à savoir les déchets issus d'ordures ménagères pour produire de l'éthanol. Cependant ces procédés sont complexes incluant le plus souvent une étape de prétraitement.
Un premier but de la présente invention est de proposer un procédé de production d'éthanol, qui soit simple et rustique, ne nécessitant pas d'étape de prétraitement.
La présente invention concerne plus particulièrement un procédé de production de bioéthanol à partir de déchets organiques renfermant des matières biodégradables, telles que des matières fermentescibles et des matières lignocellulosiques, tels que des déchets issus d'ordures ménagères.
A ce jour on sait que les levures sont les organismes de référence pour la production de bioéthanol (et sont utilisées pour la production de bioéthanol de première et de deuxième génération), et que les bactéries sont également capables de synthétiser de l'éthanol, et surtout capables de dégrader le déchet contrairement aux levures. En conséquence les essais actuels de production de bioéthanol à partir d'ordures ménagères ont été mis en œuvre avec introduction d'inoculum bactérien, par exemple un inoculum provenant d' un méthaniseur de déchets ménagers. L'inoculum doit parfois être préalablement séparé et mis en culture pendant plusieurs semaines préalablement à son utilisation dans le fermenteur.
Des travaux réalisés par Dogan et al. (Chemosphere, 2009 74(6) pages 797-803) à partir d'ordures ménagères, renfermant des fruits, des légumes et des déchets de cuisine selon un rapport pondéral 3 :2 : 1 , en présence d'un inoculum à activité acidogène, ont permis d'obtenir des acides organiques et des alcools, l'éthanol étant le principal alcool produit, pour des pH compris entre 3 et 3, 5, avec production rapide d'éthanol dans les cinq premiers jours. Le pH n'est pas stable et la concentration en éthanol produit fluctue au cours du temps. II apparaît néanmoins que le pH est un élément important pour la production d'éthanol, mais que les informations sur la valeur du pH optimal divergent dans la littérature (le pH optimal variant de 3, 5 à 7,9).
Un autre facteur qui semble également important pour la production d'éthanol est la présence de dihydrogène, cependant ce paramètre est difficile à mettre en œuvre au niveau industriel.
Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de production de bioéthanol à partir de déchets organiques renfermant des matières biodégradables, qui ne nécessite pas la surveillance de paramètres complexes, ni d'étape de prétraitement, ni la préparation préalable d'un inoculum particulier. Ces buts, ainsi que d'autres, sont atteints par le procédé de la présente invention qui propose un procédé de production d'éthanol à partir de déchets organiques renfermant des matières biodégradables, telles que des matières fermentescibles et des matières lignocellulosiques,
comportant les étapes successives suivantes :
- placement d'une quantité de déchets organiques renfermant des matières biodégradables, telles que des matières fermentescibles et des matières lignocellulosiques dans un réacteur dans des conditions anaérobies et d'humidité relative supérieure à 60 %, de préférence supérieure à 80 %, pour provoquer une fermentation desdites matières, pouvant générer une acidification du milieu par production d'acides organiques, tels que des acides gras volatils,
- suivi, et contrôle éventuel, du pH,
- éventuelle régulation de la température au sein du réacteur,
- interruption de la fermentation, séparation de la fraction liquide et de la fraction solide des déchets organiques partiellement fermentés avant que la valeur de pH de ladite fraction liquide ne descende au-dessous de la valeur de 4,5, appelée valeur seuil, de préférence ne descende au-dessous de la valeur seuil de 5,5, puis récupération de la fraction liquide et/ou gazeuse produite par la fermentation anaérobie des déchets organiques, ladite fraction liquide et/ou gazeuse renfermant de l'éthanol,
- concentration et/ou séparation de l'éthanol d'au moins une partie de ladite fraction liquide et/ou gazeuse,
le procédé étant caractérisé en ce que l'énergie nécessaire à l'éventuelle étape de régulation de la température du réacteur anaérobie et/ou nécessaire à l'étape de concentration ou de séparation de l'éthanol est apportée par l'énergie produite par une opération de traitement ou de stockage de la fraction solide des déchets organiques fermentés, partiellement fermentés ou non fermentés, ladite opération de traitement ou de stockage étant notamment effectuée dans un méthaniseur, un incinérateur ou un centre de stockage avec récupération et valorisation du biogaz.
En effet il a été constaté que la simple surveillance du pH permet d'obtenir, pour un pH inférieur à 8, mais supérieur à 4,5, avantageusement compris entre 5,5 et 7,5, et plus avantageusement encore entre 6,5 et 7,5 une production maximale en éthanol. Une régulation du pH est possible, pour la maintenir entre ces valeurs préférées.
Contrairement à tous les procédés décrits dans la littérature, il a été découvert, de manière surprenante, que les déchets organiques renfermant des matières biodégradables, telles que des matières fermentescibles et des matières lignocellulosiques, issus d'ordures ménagères, la fermentation peut avantageusement être conduite essentiellement avec la flore endogène du réacteur et notamment la flore des déchets organiques issus d'ordures ménagères. Donc de préférence aucune levure, ni enzyme, ni inoculum n'est introduit dans le réacteur anaérobie. Dans ces conditions, de l'éthanol est néanmoins généré dans les gammes de pH mentionnées précédemment.
Ceci simplifie considérablement le procédé de production d'éthanol. Il est ainsi possible de s'affranchir d'une étape de prétraitement, ainsi que de l'étape de préparation d'un inoculum adéquat. Seul un dispositif de surveillance du pH est alors nécessaire.
Le procédé selon la présente invention est ainsi un procédé rustique et peu coûteux. Au contraire des procédés de l'art antérieur, il ne nécessite pas non plus de prétraitements lourds. Lors de la conduite du procédé selon la présente invention, il a été observé que la flore endogène des ordures ménagères renferme majoritairement des populations de bactéries de la Classe Bacilli lors de la fermentation dans le réacteur anaérobie, selon un premier mode de réalisation de l'invention, à des températures comprises entre 1 5 ° C et 50 ° C, lorsque le pH est aux alentours de la valeur seuil de 6, 5.
Cette population de bactéries de la Classe Bacilli représente alors au moins 60 % de préférence au moins 70 %, de préférence encore au moins 80 % de la population bactérienne totale dans le réacteur anaérobie, la mesure étant réalisée par séquençage de l'ADNr et l'affiliation phylogénétique des séquences effectuée par analyse bioinformatique, notamment au moyen du logiciel QIIME (Quantitative Insights Into Microbial Ecology, de Caporaso, Kuczynski et al. , Nature Methods, 7(5) : 335-336, 2010)
Avantageusement, les déchets organiques introduits dans le réacteur anaérobie renferment une fraction fermentescible et lignocellulosique d'au moins 20 % en masse, de préférence d'au moins 25 % en masse (fraction mesurée à l'état sec).
Il a été constaté que le pH peut avantageusement se situer encore à une valeur supérieure aux valeurs seuils décrites précédemment. Ainsi, de manière avantageuse, l'interruption de la fermentation est effectuée avant que la valeur de pH de ladite fraction liquide ne descende au-dessous de la valeur de 5, 8, de préférence ne descende au-dessous de la valeur de 6,0. Un degré d' humidité relative important est nécessaire, à savoir supérieur à 60 %, ce degré d'humidité relative peut avantageusement être supérieur à 70 %, de préférence encore supérieur à 80 %. Selon un premier mode de réalisation du procédé de la présente invention, la fermentation est conduite avec immersion totale ou partielle dans l'eau des déchets organiques placés dans ledit réacteur.
Pour une meilleure régulation et contrôle du pH de fermentation, l'eau d'immersion est avantageusement tamponnée à un pH compris entre 6 et 9, de préférence entre 6, 5 et 8.
Selon un second mode de réalisation du procédé de la présente invention, la fermentation est conduite sous aspersion continue ou intermittente et percolation d'eau au travers des déchets organiques placés dans ledit réacteur.
De même, pour une meilleure régulation et contrôle du pH de fermentation, l'eau d'aspersion est tamponnée à un pH compris entre 6 et 9, de préférence entre 6, 5 et 8, avec de préférence une recirculation de l'eau d'aspersion et de percolation au travers des déchets organiques en cours de fermentation au sein dudit réacteur.
Le lixiviat chargé en éthanol est alors recueilli, lorsque son pH atteint la valeur seuil choisie ou avant que cette valeur seuil ne soit atteinte. Cette valeur de pH peut être obtenue le plus souvent entre 2 et 5 jours de fonctionnement anaérobie en milieu humide du réacteur, à une température comprise entre 1 5 ° C et 50° C environ.
L'étape de concentration ou de séparation de l'éthanol de la fraction liquide (lixiviat) est réalisée par une technique choisie parmi la distillation, la pervaporation, ou un stripping gazeux. Selon un second mode de réalisation du procédé selon la présente invention , la fermentation dans le réacteur anaérobie est régulée à une température comprise entre 50° C et 80 ° C, conduisant à une population de bactéries renfermant majoritairement des bactéries du genre Thermoanaerobacter. Dans ce cas la sélection de ces bactéries thermophiles peut avantageusement provenir de la flore endogène du réacteur, notamment de la flore des ordures ménagères.
A ces températures comprises entre 50° C et 80° C environ, l'éthanol produit peut être facilement extrait du réacteur de fermentation par stripping gazeux.
Comme indiqué précédemment, l'énergie nécessaire à la régulation de la température et/ou à l'étape de concentration ou de séparation de l'éthanol est apportée par l'énergie produite par le traitement ou le stockage de la fraction solide des déchets organiques fermentés, partiellement fermentés ou non fermentés, l'opération de traitement ou de stockage pouvant être effectuée dans un méthaniseur, un incinérateur ou un centre de stockage avec récupération et valorisation du biogaz. Ainsi le procédé selon la présente invention est un procédé rustique, ne nécessitant pas ou peu d'énergie extérieure pour sa mise en œuvre.
Pour augmenter encore le rendement énergétique du procédé de l'invention, le gaz produit au cours de la fermentation, qui peut renfermer de l'hydrogène par exemple, peut avantageusement être envoyé aussi vers un méthaniseur, de préférence le même que celui qui reçoit la fraction solide des déchets organiques fermentés. Ce gaz produit au cours de la fermentation est avantageusement, avant envoi vers le méthaniseur, débarrassé notamment de l'éthanol produit, de préférence par condensation ou adsorption.
La présente invention concerne également l'installation pour la mise en œuvre du procédé décrit ci-dessus, caractérisée en ce qu'elle comprend :
- un premier réacteur de fermentation anaérobie des déchets organiques, renfermant des matières biodégradables, telles que des matières fermentescibles et des matières lignocellulosiques, équipé d'une entrée de liquide, pour l'immersion ou l'aspersion desdits déchets, et d'une sortie de liquide, dénommé lixiviat et/ou d'une sortie de gaz produit durant la fermentation,
- un second réacteur, de type méthaniseur ou incinérateur ou centre de stockage, destiné à recevoir au moins une fraction solide des déchets organiques fermentés, partiellement fermentés ou non fermentés et à produire de l'énergie ;
- des moyens de recueil de la fraction liquide, appelée lixiviat, des déchets organiques fermentés et un dispositif de concentration et/ou de séparation de l'éthanol recueilli au sein de ladite fraction liquide et/ou des moyens de recueil de la fraction gazeuse et un dispositif de concentration et/ou de séparation de l'éthanol recueilli au sein de la fraction gazeuse ;
- ledit dispositif de concentration et/ou de séparation d'éthanol étant couplé au second réacteur, de type méthaniseur ou incinérateur ou centre de stockage, et étant apte à utiliser au moins partiellement l'énergie produite au sein de ce second réacteur. Selon un mode avantageux de réalisation de l'installation la sortie du gaz du premier réacteur de fermentation est couplée au second réacteur de type méthaniseur pour envoyer le gaz produit au cours de la fermentation pour servir à la production de méthane. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 présente les courbes de pH obtenues lors d'une fermentation selon l'exemple 1 ; La figure 2 présente les courbes de production d'éthanol à 35 ° C à différents pH selon l'exemple 1 ;
La figure 3 présente des comparaisons de production d'éthanol à 20° C et 35 ° C à différents pH selon l'exemple 2 ;
La figure 4 montre la production d'éthanol à 70° C selon l'exemple 2 ;
La figure 5 montre la variation du pH en fonction de l'inoculum selon l'exemple 3 ; La figure 6 montre la production d'éthanol en fonction de la quantité d'inoculum en fonction du temps selon l'exemple 3 ;
La figure 7 montre l'évolution du pH de fermentation des différentes fractions biodégradables des déchets issus d'ordures ménagères ;
Les figures 8A, 8B et 8C présentent la production d'acides gras volatils (AGV) et d'éthanol de différentes fractions biodégradables des déchets issus d'ordures ménagères ;
La figure 9 montre les profils ARISA bactériens lors de la fermentation de différentes fractions biodégradables des déchets issus d'ordures ménagères ;
La figure 10 montre l'évolution du pH au cours de fermentation avec différentes teneurs en matière sèche ; Les figures 1 1 A et 1 1 B présentent la production d'acides gras volatils (AGV) et d'éthanol à différentes teneurs en matières sèches (MS) ; La figure 12 présente une installation pour la mise en œuvre du procédé de production d'éthanol selon la présente invention incorporant un réacteur apte à produire de l'énergie
La figure 13 montre les résultats du séquençage dans les expériences de fermentation sans inoculum.
Dans les exemples qui suivent, les déchets organiques testés renferment des matières biodégradables telles que des matières fermentescibles et des matières lignocellulosiques. La composition de ces déchets issus d'ordures ménagères reconstituées est présentée en détail dans le tableau 1 ci-dessous.
Les caractéristiques de ces déchets sont les suivantes : 69,44 % MS, 61 , 14 % MV, soit MV/MS 88,05 %, avec : MS = Matière Sèche (déterminée suivant la norme NF12880 et exprimée en % massique) MV = Matière Volatile (déterminée suivant la norme NF12879 et exprimée en % massique).
Par matière fermentescible on entend dans l'ensemble du texte des matières pouvant fermenter rapidement, correspondant aux matières de la catégorie « putrescibles » du tableau 1 .
Nomenclature
Nomenclature Modecom 2007 % % en
Irstea/Modecom 2007 % en masse masse
masse n Sous Sous Eléments humid humid
Catégorie sèche catégorie catégorie constitutifs e e
Biscotte 5,39 7,32
Steak haché
(bœuf 15% de 7,41 4,07
Déchets MG)
Putrescible alimentaires Marc de café 4,08 2,95
1 Riz 48,82
s 4,54 2,03
Pommes de
22,00 5,53 terre
Déchets de
Foin 5,39 7,09 jardins
Journaux - Journaux -
Journaux 4,95 6,71 brochures brochures
Magazines- Magazines-
Magazines 6,60 9,25
2 Papiers Publicités Publicités 22, 13
Autres papiers
Papier de
Emballages Autres papiers 10,59 14,78 bureau
papier
Carton plat
Carton plat 5,22 7, 19
3 Cartons divers 10,43
Carton ondulé Carton ondulé 5,22 7, 12
Emballage de
Composite
4 Complexes liquide 2,55 2,55 3,58
ELA
alimentaire
Emballages
en textiles
5 Textiles Textiles Drap en coton 2,91 2,91 4, 1 1
Autres
textiles
Textiles Textiles
6 Couches 13, 15 13, 15 18,29 sanitaires sanitaires
Total 100 100 100
Tableau 1
Exemple 1 - Influence du i. Inoculum
Afin d'avoir un inoculum capable de dégrader les déchets nous avons choisi de travailler avec un inoculum provenant d'un digesteur mésophile d'ordures ménagères (Varennes Jarcy (91 )). Des étapes de préparation ont été nécessaires. Les boues ont tout d'abord été lavées puis filtrées et enfin une pré-incubation à 35°C a été réalisée en condition anaérobie afin de permettre la stabilisation des boues. On estime que ces dernières sont stabilisées quand la production de biogaz devient quasi-nulle, stade auquel on considère que tous les substrats endogènes permettant la synthèse de biogaz ont été dégradés. Une fois la stabilisation atteinte, la boue a été centrifugée (10 000 g pendant 15 min à 4°C) et aliquotée (100ml_ de boue) puis conservée à -80° C. Les caractéristiques de l'inoculum sont les suivantes : 35,65 % MS, 14,22 % MV, MV/MS 39,89 %. ii. Milieu
Le milieu est un milieu aqueux avec des tampons phosphates pour stabiliser le pH (force 200mM, tableau 2). Trois pH ont été testés : les pH initiaux de ces tampons étaient de 2,5, 5 et 8. Les pH des différentes incubations se sont ensuite respectivement stabilisés à 4,5, 5,2 et 6,6. Ce sont ces dernières valeurs de pH (pH de stabilisation) qui sont notées sur les figures 1 , 2 et 3.
Tableau 2 iii. Substrat
Seule la fraction biodégradable des ordures ménagères (c'est-à-dire les fractions 1 , 2 et 3 du tableau 1 ) a été utilisée. Les caractéristiques de ce substrat étaient : MS : 69,44% et MV : 61 ,14%. iv. Fermentation (incubation anaérobie)
L'inoculum (1 ,72 g), le milieu (140 mL) et le substrat (10g) ont été mélangés dans une bouteille en verre de 330 mL pour obtenir une concentration en matière sèche de 5% et un ratio inoculum/substrat de 1 /25 en termes de MV. Les bouteilles ont ensuite été fermées avec un septum en caoutchouc et un anneau métallique. Les expériences étant réalisées en condition anaérobie, le dioxygène a été retiré du ciel gazeux, au moyen d'une rampe à vide (Swagelock). Afin d'obtenir un pourcentage volumique en dioxygène inférieur à 0,3 %, cinq cycles vide/N2 sont réalisés. Le gaz utilisé est un gaz inerte, le diazote (pureté 4, 5, Linde Gas SA). Enfin, après cette étape le ciel gazeux des bouteilles est analysé au moyen d'une microGC (micro-chromatographie en phase gazeuse, appareil microGC Varian CP4900). Cet appareil est équipé de 4 circuits chromatographiques parallèles à détection TCD. Ainsi, il est possible de déterminer la présence et de quantifier les gaz suivants : O2, N2, CH , CO2, H2S, N20, H2 et NH3. Pour l' hydrogène le gaz vecteur utilisé est de l'argon (pureté 5.0, Linde Gas SA) et pour les autres il s'agit d' hélium (pureté 6,0, Linde Gas SA). On vérifie ainsi le pourcentage en oxygène souhaité. Les réacteurs ont ensuite été placés à 35 ° C (± 2 ° C) sous une agitation de 1 10-120 rpm.
L'éthanol produit est analysé grâce à un couplage GC-MS chromatographe en phase gazeuse - spectromètre de masse. Le chromatographe en phase gazeuse utilise une colonne capillaire (TR-WAX : longueur 30 m, diamètre interne 0,25 mm) avec une phase polyéthylène glycol (épaisseur 0,25 pm). Les molécules sont séparées dans la colonne GC selon leur temps de rétention, puis sont brisées en fragments ionisés dans le spectromètre de masse. Ces fragments sont ensuite détectés grâce à leur rapport masse sur charge noté m/z. Ce couplage permet d'identifier et de quantifier les alcools produits, notamment l'éthanol et le butanol. La fraction liquide prélevée dans les flacons de fermentation sont placés dans des tubes en verre fermés. Pour l'analyse, ces tubes en verre sont chauffés à 90° C pendant 10 min pour faire passer l'éthanol, présent dans la fraction liquide, en phase vapeur. Puis avec une seringue de 2, 5 mL (HD Type Seringue, CTC Analytics) montée sur l'autosampler (TriPlus sampler) un aliquot de 1 mL de cette vapeur est prélevé à travers le septum du tube, et directement injecté dans le chromatographe (la seringue étant à 100° C pour éviter la condensation sur ses parois). La température initiale du four est de 45 ° C puis augmente de 5 ° C/min jusqu'à atteindre 100° C, puis augmente de 50° C/min jusqu'à la température de 200° C maintenue pendant 2 minutes. La température de l'injecteur est de 200° C (mode split, flux de 40mL/min, ratio 20), la ligne de transfert ainsi que la source sont à 220° C. L'hélium est utilisé comme gaz vecteur à un flux de 2mL/min. La calibration de l'appareil a été réalisée avec des standards de 0, 1 , 0,25, 0, 5, 1 , 5, 10 et 25 mg/L.
Les résultats sont présentés sur les figures 1 et 2. Dans cet exemple, la fermentation a été réalisée à une température de 35 ° C.
On note que la concentration en éthanol est nettement plus élevée à pH proche de 7 (maximum : 500mg/L à pH 6,6) dans les deux premiers jours, l'éthanol se dégradant dès le 3eme jour. Cependant, plus le pH est faible et plus la dégradation de l'éthanol est lente.
Exemple 2 - Influence de la température Les essais ont été réalisés dans les mêmes conditions que celle de l'exemple 1 , seule la température a été modifiée pour comparer les résultats à 20° C et à 35° C. Ces résultats sont présentés sur la figure 3 (les valeurs de pH sont les valeurs après stabilisation).
L'intérêt de travailler à 20° C est de diminuer les dépenses énergétiques.
A pH proche de 7, on note un décalage dans le temps pour le pic d'éthanol et la dégradation semble plus lente à 20° C qu'à 35° C.
A pH 5,2, on note également que la production d'éthanol est plus lente, la concentration maximale est atteinte plus tardivement.
A pH 4,5, le fait d'avoir abaissé la température entraîne une diminution de la production d'éthanol.
Les expériences ont également été réalisées à 70° C (cf. figure 4). Une production d'éthanol a été observée dans un flacon dont le pH initial était de 5, qui s'est ensuite stabilisé à 5,9. Des concentrations beaucoup plus importantes en éthanol qu'à 20° C et qu'à 35° C sont observées sans phénomène de dégradation sur les 25 jours de suivi. La concentration maximale est observée à 14 jours. La présence d'une population majoritaire et très importante de bactéries Thermoanaerobacter a été détectée (99,5 % au jour 2).
Exemple 3 - Influence de l'inoculum
Afin d'éviter le problème de dégradation de l'éthanol des expériences avec des quantités différentes d'inoculum ont été testées.
Les mêmes conditions opératoires que celles des exemples 1 et 2 ont été mises en œuvre à une température de 35° C. Seule la quantité d'inoculum varie. Le rapport I : S correspond au rapport massique entre la matière volatile de l'inoculum et celle du déchet reconstitué. Ainsi un rapport I : S de 0 correspond à une incubation sans ajout d'inoculum, seule la flore endogène du déchet est utilisée. Les volumes sont également différents afin de conserver un pourcentage massique en matière sèche constant de 5 %. Les quantités d'inoculum sont présentées dans le tableau 3
Tableau 3
Le pH est initialement tamponné à 8.
Les résultats sont présentés sur les figures 5 et 6.
On note que le pH chute j usque vers 6, 5 dans les deux premiers jours. On observe pour le ratio I : S = 0,04 (quantité d'inoculum ajoutée la plus importante) que la production d'éthanol est plus faible que pour les autres rapports.
On note également que la vitesse de dégradation est identique pour les deux rapports les plus élevés mais qu'elle diminue pour le rapport I : S = 0,01 . Pour le rapport I : S = 0 l'erreur- type est assez importante car le fait de ne pas ajouter d'inoculum pose problème pour la répétabilité des expériences, après 7 jours.
Néanmoins, on remarque l'intérêt majeur de ne travailler qu'avec la flore endogène du déchet, car c'est avec ce ratio I : S = 0 que la production d'éthanol est de loin la plus importante (le double de celle des ratio I : S = 0,01 et I : S = 0,02) et atteint des concentrations supérieures à 1 500 mg/ L lorsque le pH est entre 7 et 6, 6 environ (dans le cas présenté à la figure 6, ces concentrations en éthanol sont obtenues entre 3 et 1 1 jours).
Exemple 4
Dans cet exemple a été testée la fermentation des différentes fractions de la partie biodégradable des ordures ménagères (putrescibles, papier/carton et textile).
Les caractéristiques des fermentations sont les suivantes :
- tampon phosphate au pH initial de 8 ;
- pas d'ajout d'inoculum ; - 5 % MS ;
- 35 ° C.
Les pH des différentes fractions testées ne se sont pas stabilisés aux mêmes valeurs (figure 7). Le pH de l'incubation des putrescibles s'est stabilisé à 5,2, celui de la fraction papier/carton à 7, 5 et celui de la fraction textile a varié entre 8, 5 et 7, 5. Ces variations sont probablement dues à des fermentations très différentes selon la fraction incubée (figure 8). Le pH de stabilisation des différentes fractions diffère de celui observé lors des incubations réalisées dans les exemples précédents avec la totalité des fractions biodégradables (stabilisation à pH 6, 5).
Les différents profils de fermentation observés sont présentés sur les figures 8A (fraction putrescibles), 8B (fraction papier-carton) et 8C (fraction textiles).
La production d'AGV (acides gras volatils) la plus importante a eu lieu lors de la fermentation de la fraction putrescible (figure 8A). L'AGV majoritaire est l'acide butyrique, suivi de l'acide acétique. On note également une production importante d'acide formique. La production d'éthanol est également la plus importante (800 mg/L) et aucun phénomène de dégradation n'a été constaté. On note que la production d'éthanol a principalement eu lieu pendant les deux premiers jours, lorsque le pH était supérieur à 5, 5. L'augmentation de la concentration en éthanol est ensuite faible. Il en est de même pour les AGV. L'incubation de la fraction papier/carton donne également lieu à une faible production d'AGV principalement de l'acide acétique. Une production non négligeable d'éthanol a également été observée avec une concentration maximale au jour 4 de 230 mg/L. Il est toutefois intéressant d'avoir pu observer une production d'éthanol à partir de cette fraction et ceci au bout d'un temps relativement court d'incubation, car le papier et le carton représentent généralement plus de 20 % de la masse humide des ordures ménagères.
Enfin, la fraction textile (figure 8C) n'a pas donné lieu à la production d'AGV. Une faible production d'éthanol a toutefois pu être observée à partir du jour J4 (30 mg/L atteint au jour 9).
Les profils ARISA des bactéries ont été réalisés pour les différentes fractions au cours des incubations afin d'observer les populations bactériennes et leur évolution au cours du temps. Ces profils sont présentés sur la figure 9.
Au jour J0, des profils différents ont pu être observés selon les différentes fractions. Entre le jour J0 et le jour J2 d'importantes modifications des populations bactériennes ont eu lieu dans les 3 types d'incubations. De plus, au jour 2, les variations étaient moins importantes dans un même triplicat, mêmes inexistantes pour la fraction papier/carton. Il semblerait donc que les mêmes micro-organismes présents sur les déchets soient sélectionnés grâce aux conditions de l'incubation. Les populations bactériennes se sont ensuite globalement stabilisées pour les incubations avec les putrescibles. Pour les incubations avec les fractions papier/carton et textile, la stabilisation des populations est plus tardive, à partir du jour 7.
Afin de pouvoir identifier plus clairement les micro-organismes présents dans les incubations, le pyroséquençage d'une portion du gène codant pour l'ARN 16S a été réalisé pour les échantillons prélevés sur les incubations des putrescibles et des papier/carton au jour 2.
Après le trimming, le nombre séquences est de 4249 pour la fraction totale, 8051 pour la fraction putrescible et 6424 pour la fraction papier/carton. Le nombre d'OTUs (Operational Taxonomic Units) est similaire pour chaque échantillon, il est respectivement de 46, 40 et 44. De plus, la diversité a été estimée grâce à l'indice de Shannon dont les valeurs sont respectivement de 2,9, 2, 9, et 3,4. Dans l'incubation des putrescibles, les séquences sont majoritairement attribuées au genre Clostridium (plus de 90 % des séquences) (voir figure 13). Un autre genre a également été retrouvé, il s'agit de Bacillus. Les résultats obtenus pour la fraction papier/carton sont très proches des résultats observés sur la fermentation des déchets totaux avec environ 70 % de séquences attribuées au genre Bacillus. En analysant les résultats au niveau des OTUs, il est apparu que deux OTUs majoritaires étaient communes à ces deux expériences. Elles représentaient respectivement 67 % et 43 % des séquences totales des échantillons de la fraction papier/carton et de celle des déchets totaux (voir figure 13).
Ceci confirme bien que les populations bactériennes sont proches dans ces deux incubations. De plus, ceci laisse à penser que les Bacilli retrouvés dans l'incubation de la fraction totale proviennent en quasi-intégralité du papier et du carton. Cependant, en raison des différences de stabilisation du pH selon les fractions, il est difficile de l'affirmer avec certitude.
Exemple 5 - Influence de la teneur en Matière Sèche (MS) La fermentation de la fraction biodégradable des ordures ménagères a été réalisée avec des taux de matières sèches MS de 5 % et de 13 %.
Les caractéristiques des incubations sont les suivantes :
- tampon phosphate au pH initial de 8 ;
- pas d'ajout d'inoculum ;
- 5 ou 13 % massique de matière sèche (MS) ;
- température de 35 ° C.
Le pourcentage en MS étant élevé, pour réaliser des prélèvements de lixiviat les réacteurs devaient être sacrifiés. Ainsi pour réaliser des triplicats à J2, J4 et J10, 9 réacteurs de fermentation ont été lancés.
L'évolution du pH au cours des incubations à 5 % et à 13 % MS est différente au cours du temps (voir figure 10). En effet, la diminution de pH a été plus importante dans l'incubation à 13 % de MS. Ceci peut s'expliquer par la production plus importante d'AGV et par le fait que le tampon n'était pas assez fort pour empêcher une importante acidification du pH.
Il a été constaté que la production globale d'AGV était plus importante à 13 % qu'à 5 % de MS. De plus, les profils fermentaires montrent (voir figures 1 1 A et 1 1 B) une production beaucoup plus importante d'acide butyrique à 13 % MS (facteur 12 à J10 -figure 1 1 B) et une production plus importante d'acide lactique à 5 % MS (facteur 7 à J2 - figure 1 1 A). En ce qui concerne les concentrations en éthanol, elles sont comparables aux jours 2 et 4, mais au jour 10 la concentration en éthanol est plus faible à 13 % MS. L'augmentation du pourcentage en matière sèche n'a pas permis d'augmenter la concentration en éthanol. Toutefois, le pH étant différent dans les incubations à 5 %et 1 3 % de MS, nous ne pouvons pas exclure qu'à un pH comparable et plus proche de la neutralité, il soit possible d'augmenter la production d'éthanol. Exemple 6 : Installation Le procédé de production de bioéthanol, décrit dans les exemples précédents, peut être couplé à une unité de traitement de déchets produisant de l'énergie. Différents modes de réalisation sont envisageables, par exemple couplage à un traitement de déchets organiques par méthanisation, le procédé couplé à un traitement de déchets par incinération ou à un stockage de déchets non dangereux avec récupération et transformation du biogaz.
Le présent exemple décrit le couplage du réacteur 1 (fermenteur) de production d'éthanol selon l'invention à une unité de traitement de déchets organiques par méthanisation (méthaniseur 3) (voir figure 12).
Les déchets organiques sont introduits dans le premier réacteur 1 (fermenteur) de type batch, fed-batch ou piston , ayant un temps de séjour de 1 à 7 jours (préférentiellement de 1 à 4 jours). De l'humidité sous forme d'eau, d'effluents ou de déchets à faible siccité est rajoutée à ces déchets entrants afin d'obtenir un pourcentage en matière sèche des déchets compris entre 5 et 30 %. Le pH est contrôlé et si nécessaire régulé entre 3 et 8 (préférentiellement entre 5 et 7). Le gaz produit au cours de la fermentation, pouvant contenir de l'hydrogène, est envoyé vers le méthaniseur 3 car il peut servir à la production de méthane et donc d'énergie. A la fin de la fermentation, une étape de séparation solide/liquide permet d'envoyer la fraction liquide uniquement (en partie ou en intégralité) vers une colonne à distiller 2 qui comprend entre 3 et 50 étages afin de concentrer l'éthanol. La distillation peut éventuellement être précédée ou suivie d'autres techniques afin d'améliorer la concentration de l'éthanol. L'alimentation énergétique de la colonne à distiller 2 est assurée en partie ou en totalité par l'énergie thermique et/ou électrique produite dans un co-générateur 4 par valorisation du biogaz de méthanisation. Le méthaniseur 3 est alimenté par la fraction solide issue de l'étape de séparation solide/liquide en sortie du fermenteur 1 , éventuellement par une partie de la fraction liquide issue dudit fermenteur 1 et éventuellement par d'autres types de déchets organiques entrant dans l'installation. Le méthaniseur est aussi alimenté par le gaz produit au cours de la fermentation, de préférence préalablement débarrassé de sa fraction éventuelle en éthanol par condensation ou adsorption. Les vinasses issues de la distillation, éventuellement refroidies via un échangeur thermique ou tout autre procédé retournent vers le méthaniseur 3. La production de biogaz au niveau du méthaniseur 3 permet de produire de l'électricité, grâce à un moteur de co- génération, qui peut être utilisée dans l'installation et/ou envoyée vers le réseau. L'énergie thermique et électrique générée par la valorisation ou le traitement du biogaz peut servir à chauffer le fermenteur 1 , et/ou le méthaniseur 3 et/ou être utilisée pour le processus de séparation ou de concentration de l'éthanol, c'est-à-dire ici la distillation.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de production d'éthanol à partir de déchets organiques renfermant des matières biodégradables, telles que des matières fermentescibles et des matières lignocellulosiques, comportant les étapes successives suivantes :
- placement d'une quantité de déchets organiques renfermant des matières biodégradables, telles que des matières fermentescibles et des matières lignocellulosiques dans un réacteur dans des conditions anaérobies et d' humidité relative supérieure à 60 %, de préférence supérieure à 80 %, pour provoquer une fermentation desdites matières, pouvant générer une acidification du milieu par production d'acides organiques, tels que des acides gras volatils,
- suivi, et contrôle éventuel, du pH,
- éventuelle régulation de la température au sein du réacteur,
- interruption de la fermentation, séparation de la fraction liquide et de la fraction solide des déchets organiques partiellement fermentés avant que la valeur de pH de ladite fraction liquide ne descende au-dessous de la valeur de 4, 5, appelée valeur seuil, de préférence ne descende au-dessous de la valeur seuil de 5, 5, puis récupération de la fraction liquide et/ou gazeuse produite par la fermentation anaérobie des déchets organiques, ladite fraction liquide et/ou gazeuse renfermant de l'éthanol,
- concentration et/ou séparation de l'éthanol d'au moins une partie de ladite fraction liquide et/ou gazeuse,
le procédé étant caractérisé en ce que l'énergie nécessaire à l'éventuelle étape de régulation de la température du réacteur anaérobie et/ou nécessaire à l'étape de concentration ou de séparation de l'éthanol est apportée par l'énergie produite par une opération de traitement ou de stockage de la fraction solide des déchets organiques fermentés, partiellement fermentés ou non fermentés, ladite opération de traitement ou de stockage étant notamment effectuée dans un méthaniseur, un incinérateur ou un centre de stockage avec récupération et valorisation du biogaz.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les déchets organiques renfermant des matières biodégradables, telles que des matières fermentescibles et des matières lignocellulosiques, issus d'ordures ménagères, la fermentation est conduite essentiellement avec la flore endogène du réacteur et notamment la flore des déchets organiques issus d'ordures ménagères.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la flore endogène des ordures ménagères renferme majoritairement des populations de bactéries de la classe Bacilli lors de la fermentation dans le réacteur anaérobie, à des températures comprises entre 1 5 ° C et 50° C, lorsque le pH est aux alentours de la valeur seuil de 6, 5.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la population de bactéries de la classe Bacilli représente au moins 60 %, de préférence au moins 70 %, de préférence encore au moins 80 % de la population bactérienne totale dans le réacteur anaérobie, la mesure étant réalisée par séquençage de l'ADNr et l'affiliation phylogénétique des séquences effectuée par analyse bioinformatique, notamment au moyen du logiciel QI IME.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les déchets organiques introduits dans le réacteur anaérobie renferment une fraction fermentescible et lignocellulosique d'au moins 20 % en masse, de préférence d'au moins 25 % en masse (fraction mesurée à l'état sec).
6. Procédé selon l' une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'interruption de la fermentation est effectuée avant que la valeur de pH de ladite fraction liquide ne descende au-dessous de la valeur 5,8, de préférence ne descende au-dessous de la valeur 6,0.
7. Procédé selon l' une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fermentation est conduite avec immersion totale ou partielle dans l'eau des déchets organiques placés dans ledit réacteur.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'eau d'immersion est tamponnée à un pH compris entre 6 et 9, de préférence entre 6, 5 et 8.
9. Procédé selon l' une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la fermentation est conduite sous aspersion continue ou intermittente et percolation d'eau au travers des déchets organiques placés dans ledit réacteur.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'eau d'aspersion est tamponnée à un pH compris entre 6 et 9, de préférence entre 6, 5 et 8, avec de préférence une recirculation de l'eau d'aspersion et de percolation au travers des déchets organiques en cours de fermentation au sein dudit réacteur.
1 1 . Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fermentation dans le réacteur anaérobie est régulée à une température comprise entre 50° C et 80 ° C, conduisant à une population de bactéries renfermant majoritairement des bactéries du genre Thermoanaerobacter.
12. Procédé selon l' une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de concentration ou de séparation de l'éthanol de la fraction liquide est réalisée par une technique choisie parmi la distillation, la pervaporation, ou un stripping gazeux.
13. Procédé selon l' une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz produit au cours de la fermentation est envoyé vers un méthaniseur.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le gaz produit au cours de la fermentation est, avant envoi vers le méthaniseur, débarrassé notamment de l'éthanol produit, de préférence par condensation ou adsorption.
1 5. Installation pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle comprend :
- un premier réacteur (1 ) de fermentation anaérobie des déchets organiques, renfermant des matières biodégradables, telles que des matières fermentescibles et des matières lignocellulosiques, équipé d' une entrée de liquide, pour l'immersion ou l'aspersion desdits déchets, d' une sortie de liquide, dénommé lixiviat et/ou d' une sortie de gaz produit durant la fermentation,
- un second réacteur, de type méthaniseur (3), ou incinérateur ou centre de stockage, destiné à recevoir au moins une fraction solide des déchets organiques fermentés, partiellement fermentés ou non fermentés et à produire de l'énergie ;
- des moyens de recueil de la fraction liquide, appelée lixiviat, des déchets organiques fermentés et un dispositif de concentration et/ou de séparation de l'éthanol recueilli au sein de ladite fraction liquide, et/ou des moyens de recueil de la fraction gazeuse et un dispositif de concentration et/ou de séparation de l'éthanol recueilli au sein de ladite fraction gazeuse ;
- ledit dispositif de concentration et/ou de séparation d'éthanol étant couplé au second réacteur, de type méthaniseur ou incinérateur ou centre de stockage, et étant apte à utiliser au moins partiellement l'énergie produite au sein de ce second réacteur.
16. Installation selon la revendication 1 5, caractérisée en ce que la sortie du gaz du premier réacteur (1 ) de fermentation est couplée au second réacteur de type méthaniseur pour envoyer le gaz produit au cours de la fermentation pour servir à la production de méthane.
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