EP3234169A1 - Biostimulation in-situ de l'hydrolyse de la matière organique pour optimiser sa valorisation énergétique - Google Patents

Biostimulation in-situ de l'hydrolyse de la matière organique pour optimiser sa valorisation énergétique

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EP3234169A1
EP3234169A1 EP15823660.4A EP15823660A EP3234169A1 EP 3234169 A1 EP3234169 A1 EP 3234169A1 EP 15823660 A EP15823660 A EP 15823660A EP 3234169 A1 EP3234169 A1 EP 3234169A1
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EP
European Patent Office
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substrate
reactor
hydrolysis
biostimulation
treated
Prior art date
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Pending
Application number
EP15823660.4A
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German (de)
English (en)
Inventor
Alicia Mansour
Jesùs Andrés CACHO RIVERO
Maria FDZ-POLANCO IÑIGUEZ DE LA TORRE
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Veolia Proprete SAS
Veolia Environnement SA
Original Assignee
Veolia Proprete SAS
Veolia Environnement SA
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02W30/40—Bio-organic fraction processing; Production of fertilisers from the organic fraction of waste or refuse

Definitions

  • the invention relates generally to the field of biological treatment and recovery of organic waste.
  • the invention relates to a method of treating organic waste coupling an in situ biostimulation to produce hydrolytic enzymes and hydrolysis of the recalcitrant organic waste material using these enzymes for energy recovery.
  • Hydrolysis is a solid fermentation step that promotes the development of different types of microorganisms, including filamentous fungi, which produce hydrolysing exocellular enzymes.
  • the production of enzymes by solid fermentation is a process known to those skilled in the art and well documented in the scientific literature 1 ' 2 ' 3 .
  • US Pat. No. 7,270,751 describes a method for treating urban sludge with fungi, which comprises an oxidation step, then a step of adding an antibiotic and an oxidizing compound, and finally a step of injecting a fungus into the system. to provide treatment;
  • WO 2013/163703 describes the production of a specific enzyme formula by solid fermentation, which is then extracted and used for the production of bioethanol or other products of green chemistry.
  • the known methods of the state of the art use the enzymes as a solution for the hydrolysis of the recalcitrant organic material. But these enzymes are produced, extracted and used following processes involving a sequence of complex steps, which implies a high cost especially with regard to the phase of separation and filtration of the liquid medium (to recover the enzymes). In some cases, commercial enzymes are added to the medium; but this involves significant costs, sometimes inhibiting for environmental applications. These various methods are expensive and do not necessarily allow the treatment of a complex substrate.
  • Substrate means, within the meaning of the present invention, indistinctly any type of waste comprising at least one organic part: household waste, green or industrial, paper or cardboard, or biomass.
  • the substrates most of the time are in solid form, or comprise at least one solid part.
  • complex substrate means waste of various origins containing recalcitrant organic material.
  • the complex substrate may be in solid or liquid form.
  • the purpose of the present invention is therefore to overcome all or part of the disadvantages of the prior art, by implementing a solid organic waste treatment process coupling an in situ biostimulation to produce hydrolytic enzymes from a substrate and hydrolysis of the recalcitrant organic material waste to be treated using these enzymes.
  • the use of these enzymes produced in situ from waste (substrate) is more efficient because it is better adapted to the waste to be treated.
  • biostimulation is intended to stimulate the degradation of organic waste by native microorganisms.
  • Biostimulation is a biological technique that does not require the addition of selected specific microorganisms.
  • biostimulation is the act of promoting the development of strains of microorganisms already present in a given medium.
  • the fact of using a complex solid medium allows a variety of enzyme production that will allow better hydrolysis of the substrate that it is desired to treat because of its complex composition.
  • the substrate to be treated comprises different compounds that require a mixture of enzymes to obtain optimal hydrolysis of the recalcitrant organic material. This increases the performance of the anaerobic process and therefore the production of energy.
  • the fact of producing in situ the enzymes used for the hydrolysis of the waste to be treated makes it possible to simplify the treatment process and to considerably reduce the cost of operation.
  • the subject of the present invention is a process for treating a first substrate that is at least partly organic and at least partially solid, comprising the following steps:
  • biostimulation of the second substrate contained in the biostimulation reactor under aerobic conditions, at a temperature of between 20 ° C. and 40 ° C., a pH of between 4 and 7, a humidity of between 50% and 80% % and a residence time of between 1 and 5 days to ensure at least partial hydrolysis of the organic part of said substrate and the in-situ production of hydrolytic enzymes;
  • the first and second substrates may be the same or different.
  • the enzymatic production is carried out in solid medium, therefore in an environment different from that of the current large-scale production of enzymes that is carried out in a liquid medium. So a production in solid medium, that the substrates are identical or different, is more advantageous than the current modes of production.
  • the enzymatic mixture produced may be more targeted. However this is not always the case, and it depends on the nature of the substrates used.
  • the hydrolytic enzymes used for the hydrolysis of the substrate to be treated are produced by biostimulation of the second substrate contained in the biostimulation reactor, in an aerobic medium (step C).
  • PH, temperature, and moisture controls are required in order to have a good development of hydrolytic microorganisms, especially the mycelia of the filamentous fungi from which the hydrolytic enzymes can be produced.
  • filamentous fungi may advantageously belong to the group consisting of Trichoderma mushrooms. sp. Aspergillus sp. , Pleurotus sp. Penicillium sp. , and Fomitopsis sp.
  • the hydrolytic enzymes thus produced are extracted by percolation (step D) of a liquid through the second substrate volume to form a first leachate enriched with hydrolytic enzymes.
  • the liquid used for percolation through the volume of the second substrate may be fresh water or a recycled leachate treated by methanogenesis or by anaerobic digestion, which may be advantageously aerated before use.
  • the succession of steps C and D may be repeated until the initial volume of the second substrate in the biostimulation reactor is exhausted.
  • it will be decided to carry out this succession of steps C and D as a function, on the one hand, of the performance of the method according to the invention and, on the other hand, the operational cost related to the implementation of a new substrate, taking care to maintain a balance between these two constraints.
  • substrate depletion means that the hydrolysable organic material of this substrate is substantially hydrolysed.
  • a substrate having the organic material is largely hydrolyzed part has the advantage that its position ⁇ treatment will be limited.
  • the second substrate can be used for 3 to 5 cycles of biostimulation.
  • the second substrate is exhausted, it can be advantageously treated by an aerobic treatment to obtain a stabilized compost.
  • a first leachate enriched in hydrolytic enzymes it is injected into at least one hydrolysis reactor containing the first substrate to be treated (step E), and then the substrate to be treated is hydrolysed by at least one partly this first leachate (step F).
  • the hydrolysis step F of the first substrate to be treated can take place essentially in the solid phase.
  • the hydrolysis step F can take place in a percolator and comprise the following steps:
  • the second substrate once the first substrate is exhausted, the latter can be advantageously treated by an aerobic treatment to obtain a stabilized compost.
  • the hydrolysis step F of the first substrate to be treated may take place essentially in the liquid phase in a hydrolytic reactor.
  • the products resulting from the hydrolysis step F can be recovered by a downstream stage of methanogenesis in a methanizer, at the end of which a treated water is obtained.
  • the hydrolysis step F can be carried out in an anaerobic digestion reactor for the treatment of the first substrate and the production of biogas, at the end of which one obtains a treated water.
  • the treated water from the methanizer or the anaerobic digester can be used as a percolating liquid during the biostimulation step D) in the biostimulation reactor to extract hydrolytic enzymes.
  • This treated wastewater may be advantageously aerated before being recycled for injection into said biostimulation reactor.
  • the first leachate enriched in hydrolytic enzymes may be derived from a single biostimulation reactor and feed a plurality of hydrolysis reactors.
  • step F of hydrolysis of the first substrate can take place during several cycles of biostimulation, depending in particular on the nature of the substrate to be treated.
  • FIG. 1A represents a schematic diagram of a biostimulation reactor 3 during step C of biostimulation of a substrate 2 in order to extract hydrolytic enzymes 31 therefrom;
  • FIG. 1B represents a schematic diagram of the biostimulation reactor 3 of Figure 1A in step D of percolating a liquid through the substrate of Figure 1A;
  • FIG. 1C represents a schematic diagram of the biostimulation reactor 3 of FIGS. 1A and 1B for the aerobic treatment of the spent substrate to obtain a stabilized compost;
  • FIG. 2A represents a schematic diagram of a percolator 40 for the hydrolysis of a substrate to be treated according to a first embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 2B represents a schematic diagram of the percolator 40 of FIG. 2A associated with a methanizer 7 for valorizing by methanogenesis the products resulting from the hydrolysis of the substrate to be treated from the percolator of FIG. 2A;
  • FIG. 2C represents a schematic diagram of the percolator 40 of FIGS. 2A and 2B for aerobic treatment of the spent substrate to obtain a stabilized compost;
  • FIG. 3 represents a schematic diagram of a hydrolytic reactor 41 for carrying out the hydrolysis of a substrate to be treated according to a second embodiment of the process according to the invention
  • FIG. 4 represents a schematic diagram of an anaerobic digestion reactor 42 for hydrolyzing a substrate to be treated according to a third embodiment of the process according to the invention
  • FIG. 5 represents a schematic diagram of the processing die as a whole.
  • FIGS. 1 to 5 are identical elements shown in FIGS. 1 to 5 are identified by identical reference numerals.
  • FIGS. 1A to 1C a reactor of FIG. biostimulation 3 in which the biostimulation cycle of a substrate 2 (second substrate which is not the substrate to be treated 1, but which may be identical to or different from this substrate 1).
  • FIG. 1A illustrates step C of aerobic biostimulation of a substrate 2 to produce hydrolytic enzymes 31, according to the following operating conditions:
  • FIG. 1B illustrates the step D of percolating a liquid 8 through the substrate 2 of FIG. 1A in order to extract the hydrolytic enzymes 31 produced during stage C in the form of a first leachate 5.
  • the liquid 8 used for this extraction of enzymes may be fresh water or treated water (effluent) obtained from the recycling of leachates by anaerobic digestion, as shown in Figure 5. This treated water may also be advantageously aerated before its reuse
  • the substrate 2 can be used for 3 to 5 cycles of biostimulation.
  • FIGS. 2A to 2C show a percolator 40 in which the hydrolysis of a substrate 1 to be treated is carried out according to a first embodiment of the process according to the invention.
  • FIG. 2A illustrates the hydrolysis F as such of the substrate 1 to be treated according to a first embodiment of the process according to the invention, which takes place in the solid phase as follows:
  • the first leachates loaded with hydrolytic enzymes are injected into a percolator 40 containing the substrate to be treated,
  • this first leachate 5 percolates through the substrate to be treated 1 in order to hydrolyze the organic material of this substrate 1: at the outlet of the percolator 40, a second leachate 6 is then obtained, loaded with hydrolytic enzymes and organic materials, which is made recirculating in the percolator 40 until the hydrolysable organic material of the substrate 1 is largely hydrolysed (substrate 1 exhausted).
  • this second leachate loaded with hydrolytic enzymes and with hydrolysed organic materials is sent to a methanizer 7 for the production of methane, as illustrated in FIG. 2B.
  • the treated water 8 at the outlet of the methanizer 7 is partially recycled upstream of the process according to the invention by being reinjected into the biostimulation reactor 3 (see Figure 5 representing the die as a whole).
  • the substrate 1 is removed from the percolator
  • the first leachates 5 loaded with hydrolytic enzymes from the biostimulation reactor 3 are injected into a hydrolytic reactor 41 upstream of a methanizer 7 to improve its performance in the context of treatment by anaerobic processes in two stages such as for example the Biomet process;
  • the products obtained at the outlet of the reactor 41 are upgraded downstream in the methanizer 7 by the production of biogas and the treated water 8 at the outlet of the methanizer 7 is partially recycled upstream of the process according to the invention by being reinjected into the reactor biostimulation 3, as illustrated in Figure 5 representing the die as a whole.
  • FIG. 4 shows an anaerobic digestion reactor 42 in which the hydrolysis F of a substrate 1 to be treated is carried out according to a third embodiment of the process according to the invention:
  • the first leachates loaded with hydrolytic enzymes from the biostimulation reactor 3 are injected into an anaerobic digestion reactor 42 in order to improve the performance of the process of the invention (for example by producing biogas);
  • the treated water 8 at the reactor outlet 42 is partially recycled upstream of the process according to the invention by being reinjected into the biostimulation reactor 3, as illustrated by FIG. 5 representing the die as a whole.
  • the hydrolysis of different types of waste is carried out in an anaerobic digestion reactor 42 such as that illustrated in FIG. 4.
  • this hydrolysis is carried out according to a traditional method, that is to say without adding enzymes, while in the second example, commercial enzymes, produced by fermentation in a liquid medium, are added.
  • the hydrolysis of the waste is carried out according to the process according to the invention, by injecting into the anaerobic digestion reactor 42 hydrolytic enzymes 31 from a biostimulation reactor associated with the anaerobic digestion reactor 42.
  • enzymes are produced in-situ in the biostimulation reactor 3 in which the biostimulation cycle of a substrate for household or agricultural waste (identical or not to the waste to be treated) takes place according to the following operating conditions:
  • step D a liquid (for example fresh water) through the substrate to form a leachate enriched with hydrolytic enzymes, which is injected into the reactor anaerobic 42.
  • hydrolytic enzymes for example those marketed by DSM under the trademark MethaPlus®.
  • both types of waste are rich in lignocellulose, a non-degraded organic material that is degraded under anaerobic conditions.
  • the BMP analysis is performed according to the recommendations described by Angelidaki et al 8 . (2009).
  • Table 2 shows the composition of the mixtures used in the hydrolysis and methanogenesis processes of Examples 2 and 3. This composition is indicated in Table 2 in enzymatic units / ml for 3 main enzymes:

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Abstract

La présente invention a pour objet un procédé de traitement de déchets organiques couplant une biostimulation in situ pour produire des enzymes hydrolytiques et une hydrolyse de la matière organique récalcitrante de déchets utilisant ces enzymes en vue d'une valorisation énergétique.

Description

Biostimulation in-situ de l'hydrolyse de la matière organique pour optimiser sa valorisation énergétique
Domaine technique
L' invention concerne de manière générale le domaine du traitement biologique et de la valorisation de déchets organiques .
Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de traitement de déchets organiques couplant une biostimulation in situ pour produire des enzymes hydrolytiques et une hydrolyse de la matière organique récalcitrante de déchets utilisant ces enzymes en vue d'une valorisation énergétique.
Etat de la technique
L'hydrolyse correspond à une étape de fermentation solide qui favorise le développement de différents types de microorganismes, entre autres les champignons filamenteux, qui produisent des enzymes exocellulaires hydrolysantes . La production d'enzymes par fermentation solide est un procédé connu de l'homme de l'art et bien documenté dans la littérature scientifique1'2'3.
Par ailleurs, on trouve également dans la littérature des brevets et des demandes de brevet décrivant la production d'enzymes en milieu solide. Plus particulièrement, la demande de brevet en Malaisie MY 142205 «Solid state bioconversion of oil palm biomass by white rot fungus for ligninase production in rotary drum bioreactor» décrit l'utilisation de Phanerochaete chrysosporium pour produire la ligninase. Un substrat (ou déchet organique solide) est préparé (délignifié) avant la fermentation solide et ensuite l'enzyme produite est collectée. La demande internationale WO 2013/114282 («Réduction of non-starch polysaccharides and alpha- galactosides in soy-flour by means of solid-state fermentation using cellulolytic bacteria isolated from différent environments» décrit un procédé de fermentation solide de la farine de soja à l'état solide, dans lequel des bactéries cellulolytiques sont inoculées dans le milieu. Enfin, la demande internationale WO 2013/162165 («Method for producing large quantities of cellulase using plam by-products») décrit un procédé de fermentation solide en utilisant le champignon Aspergillus oryzea pour produire la cellulase.
L' inconvénient de ces procédés de fermentation solide réside dans le fait que la phase de préparation de la matrice solide doit permettre une granulométrie très fine, ce qui n'est pas possible sur des installations industrielles. D'autres types de préparation de la matrice impliquent également des prétraitements chimiques pour la délignification ou physiques comme la stérilisation et 1 ' autoclavage . Il existe également la contrainte de la préparation de 1' inoculum.
Par ailleurs, il est connu de l'homme de l'art d'utiliser des enzymes pour dégrader la matière organique. Ainsi, on trouve dans la littérature scientifique un certain nombre d'articles décrivant des procédés de fermentation en milieu solide pour produire différents types d'enzymes, qui sont extraites et utilisées dans des tests de production de sucres réducteurs sur diverses matrices (dits tests de saccharification) 4' 5' 6' 7. De même, le brevet Russe RU 2238319
(«Complex enzyme préparation for hydrolysis of vegetable waste, among them food waste») décrit l'utilisation d'enzymes
(mélange d'enzymes) pour dégrader la matière organique.
Le brevet américain US 7,270,751 («Method for treatment of sewage plant sludges by a fungal process») et les demandes de brevet américain US 2013/0040354 («Biogas production process with enzyme pre-treatment») et internationales WO 2010/000858
(« A personal wash bar») et WO 2013/163703 «Integrated process for producing enzyme formulations from agro-industrial waste and biofuel production» décrivent de manière plus spécifique l'hydrolyse enzymatique et la dégradation de la matière organique :
• US 7,270,751 décrit un procédé de traitement des boues urbaines par des champignons, qui comprend une étape d'oxydation, puis une étape d'ajout d'antibiotique et de composé oxydant et enfin une étape d'injection d'un microchampignon dans le système pour assurer le traitement ;
• dans US 2013/0040354 et WO 2010/000858, des prétraitements physique/chimique/biologique sont utilisés et suivis d'ajout d'enzymes externes et finalement d'une étape de fermentation ;
• WO 2013/163703 décrit la production d'une formule spécifique d'enzyme par fermentation solide, qui est ensuite extraite et utilisée pour la production du bioéthanol ou autres produits de la chimie verte.
Ainsi, les procédés connus de l'état de l'art utilisent les enzymes comme une solution pour l'hydrolyse de la matière organique récalcitrante. Mais ces enzymes sont produites, extraites et utilisées suite à des procédés impliquant un enchaînement d'étapes complexes, ce qui implique un coût élevé surtout en ce qui concerne la phase de séparation et filtration du milieu liquide (pour récupérer les enzymes) . Dans certains cas, des enzymes du commerce sont ajoutées au milieu ; mais cela implique des coûts importants, parfois inhibiteurs pour les applications environnementales. Ces différents procédés sont coûteux et ne permettent pas nécessairement le traitement d'un substrat complexe.
Par substrat, on entend, au sens de la présente invention, indistinctement tout type de déchets comprenant au moins une partie organique : déchets ménagers, verts ou industriels, des papiers ou cartons, ou la biomasse. Les substrats se présentent la plupart du temps sous forme solide, ou comprennent au moins une partie solide.
Par substrat complexe, on entend, au sens de la présente invention, des déchets de diverses origines contenant de la matière organique récalcitrante. Le substrat complexe peut se présenter sous forme solide ou liquide.
Description de l'invention
Le but de la présente invention vise donc à pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur, par la mise en œuvre d'un procédé de traitement de déchets organiques solides couplant une biostimulation in situ pour produire des enzymes hydrolytiques à partir d'un substrat et une hydrolyse de la matière organique récalcitrante des déchets à traiter utilisant ces enzymes. L'utilisation de ces enzymes produites in situ à partir de déchets (substrat) est plus efficace car plus adaptée aux déchets à traiter.
Par biostimulation, on entend, au sens de la présente invention la stimulation de la dégradation de déchets organiques par des micro-organismes indigènes. La biostimulation est une technique biologique ne nécessitant pas l'adjonction de micro-organismes spécifiques sélectionnés. Au contraire de la bioaugmentation qui consiste à inoculer des souches exogènes, la biostimulation est le fait de favoriser le développement des souches de microorganismes déjà présentes dans un milieu donné.
Le fait d'utiliser un milieu solide complexe permet une production d'enzymes variée qui permettra une meilleure hydrolyse du substrat que l'on souhaite traiter du fait de sa composition complexe. En effet le substrat destiné à être traiter comprend différents composés qui nécessitent un mélange d'enzymes pour obtenir une hydrolyse optimale de la matière organique récalcitrante. Cela permet d'augmenter la performance du procédé anaérobie et donc la production d'énergie. Enfin, le fait de produire in situ les enzymes utilisées pour l'hydrolyse des déchets à traiter permet de simplifier le procédé de traitement et d'en diminuer considérablement le cout de fonctionnement.
Plus particulièrement, la présente invention a pour objet un procédé de traitement d'un premier substrat au moins en partie organique et au moins en partie solide, comprenant les étapes suivantes :
A. introduction d'un volume initial du premier substrat à traiter dans au moins un réacteur d'hydrolyse ;
B. introduction d'un volume initial de second substrat dans au moins un réacteur de biostimulation ;
C. biostimulation du second substrat contenu dans le réacteur de biostimulation, dans des conditions aérobies, à une température comprise entre 20°C et 40°C, un pH compris entre 4 et 7, un taux d'humidité compris entre 50% et 80% et un temps de séjour compris entre 1 et 5 jours pour assurer une hydrolyse au moins partielle de la partie organique dudit substrat et la production in-situ d'enzymes hydrolytiques ;
D. percolation d'un liquide au travers du volume de deuxième substrat contenu dans le réacteur de bio¬ stimulation, pour former un premier lixiviat enrichi en enzymes hydrolytiques ;
E. injection du premier lixiviat enrichi en enzymes hydrolytiques dans au moins un réacteur d'hydrolyse contenant le premier substrat à traiter ;
F. hydrolyse du premier substrat par au moins en partie le premier lixiviat enrichi ;
la succession des étapes C et D définissant un cycle de bio-stimulâtion . Les premier et second substrats peuvent être identiques ou différents .
Dans le cadre de la présente invention, la production enzymatique est réalisée en milieu solide, donc dans un environnement différent de celui de la production actuelle à grande échelle des enzymes qui est réalisée en milieu liquide. Donc une production en milieu solide, que les substrats soient identiques ou différents, est plus avantageuse que les modes de production actuels.
Si les substrats sont identiques, le mélange enzymatique produit peut être plus ciblé. Toutefois ce n'est pas toujours le cas, et cela dépend de la nature des substrats utilisés.
Les enzymes hydrolytiques utilisées pour l'hydrolyse du substrat à traiter (ou premier substrat) sont produites par biostimulation du second substrat contenu dans le réacteur de biostimulation, en milieu aérobie (étape C) .
Les conditions permettant cette biostimulation ont été définies pour l'ensemble des substrats utilisables dans le cadre de cette invention pour en extraire des enzymes hydrolytiques. Ces conditions se situent dans les gammes définies ci-après pour chacun des paramètres suivants :
• température : comprise entre 20°C et 40°C,
• pH : compris entre 4 et 7,
• taux d'humidité : compris entre 50% et 80%, et
• temps de séjour (dans le réacteur de biostimulation) : compris entre 1 et 5 jours.
Des contrôles de pH, température et humidité sont nécessaires afin d'avoir un bon développement des microorganismes hydrolytiques, surtout les mycéliums des champignons filamenteux à partir desquels les enzymes hydrolytiques peuvent être produites.
Ces champignons filamenteux peuvent avantageusement appartenir au groupe constitué des champignons Trichoderma sp . , Aspergillus sp . , Pleurotus sp . , Pénicillium sp . , et Fomitopsis sp .
Les enzymes hydrolytiques ainsi produites sont extraites par percolation (étape D) d'un liquide au travers du volume de deuxième substrat pour former un premier lixiviat enrichi en enzymes hydrolytiques.
Le liquide utilisé pour la percolation au travers du volume du second substrat peut être de l'eau fraîche ou un lixiviat recyclé traité par méthanogénèse ou par digestion anaérobie, qui pourra être avantageusement aéré avant utilisation .
La succession des étapes C et D peut être répétée jusqu'à épuisement du volume initial de second substrat dans le réacteur de biostimulation. Dans le cadre de la présente invention, on décidera de réaliser cette succession des étapes C et D en fonction d'une part de la performance du procédé selon l'invention et d'autre part le coût opérationnel lié à la mise en place d'un nouveau substrat, en veillant à maintenir un équilibre entre ces deux contraintes.
Par épuisement d'un substrat, on entend, au sens de la présente invention, que la matière organique hydrolysable de ce substrat est en grande partie hydrolysée.
Par ailleurs, un substrat dont la matière organique est en grande partie hydrolysée présente l'avantage que son post¬ traitement sera limité.
Typiquement, le second substrat peut être utilisé pendant 3 à 5 cycles de biostimulation.
Lorsque le volume initial de second substrat est épuisé, on peut avantageusement introduire un nouveau volume de second substrat dans le réacteur de biostimulation (étape supplémentaire G) .
Une fois le second substrat épuisé, il peut être avantageusement traité par un traitement aérobie pour obtenir un compost stabilisé. Par ailleurs, après formation par biostimulation d'un premier lixiviat enrichi en enzymes hydrolytiques , on l'injecte dans au moins un réacteur d'hydrolyse contenant le premier substrat à traiter (étape E) , puis on hydrolyse le substrat à traiter par au moins en partie ce premier lixiviat (étape F) .
Selon un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention, l'étape d'hydrolyse F du premier substrat à traiter peut se dérouler essentiellement en phase solide.
Avantageusement, l'étape F d'hydrolyse peut se dérouler dans un percolateur et comprendre les étapes suivantes :
• étape de percolation du premier lixiviat à travers le substrat à traiter dans le percolateur, pour obtenir un deuxième lixiviat enrichi en enzymes hydrolytiques et en manières organiques hydrolysées ; et
• étape de réinjection du deuxième lixiviat dans le percolateur jusqu'à épuisement du substrat à traiter (ou premier substrat), c'est-à-dire jusqu'à ce que la matière organique hydrolysable du premier substrat soit en grande partie hydrolysée .
Lorsque le volume initial de premier substrat dans le percolateur est épuisé, on peut avantageusement y introduire un nouveau volume de premier substrat dans le réacteur de biostimulation (étape supplémentaire H) .
De même que pour le second substrat, une fois le premier substrat épuisé, ce dernier peut être avantageusement traité par un traitement aérobie pour obtenir un compost stabilisé.
Selon un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention, l'étape d'hydrolyse F du premier substrat à traiter peut se dérouler essentiellement en phase liquide dans un réacteur hydrolytique . A l'issue de l'étape F d'hydrolyse du premier substrat par le premier lixiviat, les produits issus de l'étape d'hydrolyse F peuvent être valorisés par une étape aval de méthanogénèse dans un méthaniseur, à l'issue de laquelle on obtient une eau traitée .
Selon un troisième mode de réalisation du procédé selon l'invention, l'étape d'hydrolyse F peut être réalisée dans un réacteur de digestion anaérobie pour le traitement du premier substrat et la production de biogaz, à l'issue de laquelle on obtient une eau traitée.
De manière avantageuse, les eaux traitées issues du méthaniseur ou du digesteur anaérobie peuvent être utilisée comme liquide percolant au cours de l'étape D) de biostimulation dans le réacteur de biostimulation pour en extraire des enzymes hydrolytiques. Ces eaux usées traitées pourront être avantageusement aérées avant d'être recyclées pour être injectées dans ledit réacteur de biostimulation.
Quelque soit le mode de réalisation envisagé, le premier lixiviat enrichi en enzymes hydrolytiques peut être issu d'un unique réacteur de biostimulation et alimenter une pluralité de réacteurs d'hydrolyse.
Quelque soit le mode de réalisation envisagé, l'étape F d'hydrolyse du premier substrat peut se dérouler pendant plusieurs cycles de biostimulation, en fonction notamment de la nature du substrat à traiter.
D'autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées :
o la figure 1A représente un schéma de principe d'un réacteur de biostimulation 3 lors de l'étape C de biostimulation d'un substrat 2 pour en extraire des enzymes hydrolytiques 31 ;
o la figure 1B représente un schéma de principe du réacteur de biostimulation 3 de la figure 1A lors de l'étape D de percolation d'un liquide au travers du substrat de la figure 1A ;
o la figure 1C représente un schéma de principe du réacteur de biostimulation 3 des figures 1A et 1B pour le traitement aérobie du substrat épuisé pour obtenir un compost stabilisé ;
o la figure 2A représente un schéma de principe d'un percolateur 40 pour l'hydrolyse d'un substrat à traiter selon un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention ;
o la figure 2B représente un schéma de principe du percolateur 40 de la figure 2A associé à un méthaniseur 7 pour valoriser par méthanogénèse les produits issus de l'hydrolyse du substrat à traiter en provenance du percolateur de la figure 2A ;
o la figure 2C représente un schéma de principe du percolateur 40 des figures 2A et 2B pour traitement aérobie du substrat épuisé pour obtenir un compost stabilisé ;
o la figure 3 représente un schéma de principe d'un réacteur hydrolytique 41 pour réaliser l'hydrolyse d'un substrat à traiter selon un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention ; o la figure 4 représente un schéma de principe d'un réacteur de digestion anaérobie 42 pour réaliser l'hydrolyse d'un substrat à traiter selon un troisième mode de réalisation du procédé selon 1 ' invention ;
o la figure 5 représente un schéma de principe de la filière de traitement dans son ensemble.
Les éléments identiques représentés sur les figures 1 à 5 sont identifiés par des références numériques identiques.
Sur les figures 1A à 1C, on a représenté un réacteur de biostimulation 3 dans lequel se déroule le cycle de biostimulation d'un substrat 2 (second substrat qui n'est pas le substrat à traiter 1, mais qui peut être identique ou différent de ce substrat 1) .
La figure 1A illustre l'étape C de biostimulation en milieu aérobie d'un substrat 2 pour produire des enzymes hydrolytiques 31, selon les conditions de fonctionnement suivantes :
• température : comprise entre 20°C et 40°C,
• pH : compris entre 4 et 7,
• taux d'humidité : compris entre 50% et 80%, et
• temps de séjour (dans le réacteur de biostimulation) : compris entre 1 et 5 jours.
En dehors de ces gammes opératoires, la biostimulation du substrat est possible mais elle est très peu performante.
La figure 1B illustre l'étape D de percolation d'un liquide 8 au travers du substrat 2 de la figure 1A pour extraire les enzymes hydrolytiques 31 produites lors de l'étape C sous forme d'un premier lixiviat 5. Le liquide 8 utilisé pour cette extraction d'enzymes peut être de l'eau fraîche ou une eau traitée (effluent) obtenue à partir du recyclage des lixiviats par digestion anaérobie, comme illustré sur la figure 5. Cette eau traitée pourra d'ailleurs être avantageusement aérée avant sa réutilisation
Le substrat 2 peut être utilisé pendant 3 à 5 cycles de biostimulation .
Une fois épuisé, il est retiré du réacteur de biostimulation 3 et pourra avantageusement être traité par traitement aérobie pour obtenir un compost stabilisé 9, comme illustré sur la figure 1C.
Sur les figures 2A à 2C, on a représenté un percolateur 40 dans lequel se déroule l'hydrolyse d'un substrat 1 à traiter selon un premier mode de réalisation du procédé selon 1 ' invention . La figure 2A illustre l'hydrolyse F en tant que telle du substrat 1 à traiter selon un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention, qui se déroule en phase solide comme suit :
- on injecte le premier lixiviat 5 chargé en enzymes hydrolytiques dans un percolateur 40 contenant le substrat à traiter,
- ce premier lixiviat 5 percole au travers du substrat à traiter 1 pour hydrolyser la matière organique de ce substrat 1 : on obtient alors à la sortie du percolateur 40 un deuxième lixiviat 6 chargé en enzymes hydrolytiques et en matières organiques, que l'on fait recirculer dans le percolateur 40 jusqu'à ce que la matière organique hydrolysable du substrat 1 soit en grande partie hydrolysée (substrat 1 épuisé) .
Une fois cette étape d'hydrolyse terminée, ce deuxième lixiviat chargé en enzymes hydrolytiques et en matières organiques hydrolysées est envoyé dans un méthaniseur 7 pour la production de méthane, comme illustré en figure 2B. L'eau traitée 8 en sortie de méthaniseur 7 est partiellement recyclée en amont du procédé selon l'invention en étant réinjectée dans le réacteur de biostimulation 3 (cf. figure 5 représentant la filière dans son ensemble) .
Une fois épuisé, le substrat 1 est retiré du percolateur
40 et pourra avantageusement être traité par traitement aérobie pour obtenir un compost stabilisé 9, comme illustré sur la figure 2C.
Sur la figure 3, on a représenté un réacteur hydrolytique
41 dans lequel se déroule l'hydrolyse F en phase liquide d'un substrat 1 à traiter selon un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention :
- le premier lixiviat 5 chargé en enzymes hydrolytiques en provenance du réacteur de biostimulation 3 est injecté dans un réacteur hydrolytique 41 en amont d'un méthaniseur 7 afin d' améliorer ses performances dans le cadre d'un traitement par des procédés anaérobies en deux étapes tel que par exemple le procédé Biomet;
- en parallèle, on injecte dans ce réacteur hydrolytique 41 les déchets 1 à traiter.
Les produits obtenus à la sortie du réacteur 41 sont valorisés en aval dans le méthaniseur 7 par la production de biogaz et l'eau traitée 8 en sortie de méthaniseur 7 est partiellement recyclée en amont du procédé selon l'invention en étant réinjectée dans le réacteur de biostimulation 3, comme illustré par la figure 5 représentant la filière dans son ensemble.
Sur la figure 4, on a représenté un réacteur de digestion anaérobie 42 dans lequel se déroule l'hydrolyse F d'un substrat 1 à traiter selon un troisième mode de réalisation du procédé selon l'invention :
- le premier lixiviat 5 chargé en enzymes hydrolytiques en provenance du réacteur de biostimulation 3 est injecté dans un réacteur de digestion anaérobie 42 afin d'améliorer les performances du procédé de l'invention (par production de biogaz notamment) ;
- les étapes d'hydrolyse et de méthanogénèse sont ici réalisées dans le même réacteur 42 et correspondent à la digestion anaérobie ;
- de même que pour les premier et deuxième modes de réalisation du procédé selon l'invention, l'eau traitée 8 en sortie de réacteur 42 est partiellement recyclée en amont du procédé selon l'invention en étant réinjectée dans le réacteur de biostimulation 3, comme illustré par la figure 5 représentant la filière dans son ensemble.
Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. EXEMPLES
On réalise l'hydrolyse de différents types de déchets dans un réacteur 42 de digestion anaérobie tel que celui illustré sur la figure 4.
Dans le premier exemple, cette hydrolyse est réalisée selon un procédé traditionnel, c'est-à-dire sans ajout d'enzymes, tandis que dans le second exemple, on ajoute des enzymes commerciales, produites par fermentation en milieu liquide .
Dans le troisième exemple, l'hydrolyse des déchets est réalisée conformément au procédé selon l'invention, en injectant dans le réacteur de digestion anaérobie 42 des enzymes hydrolytiques 31 en provenance d'un réacteur de biostimulation associé au réacteur de digestion anaérobie 42. Ces enzymes sont produites in-situ dans le réacteur de biostimulation 3 dans lequel se déroule le cycle de biostimulation d'un substrat de déchets ménagers ou agricoles (identique ou non aux déchets à traiter) selon les conditions de fonctionnement suivantes :
Temps de séjour : 5 jours
Humidité : 60%
pH : 5
Température : 30 °C
L'issue de l'étape C de biostimulation, on fait percoler (étape D) un liquide (par exemple de l'eau fraîche) au travers du substrat pour former un lixiviat enrichi en enzymes hydrolytiques, que l'on injecte dans le réacteur anaérobie 42. Produits enzymes commerciales, produites par fermentation en milieu liquide, par exemple celles commercialisées par DSM sous la dénomination commerciale MethaPlus®.
substrat de déchets ménagers,
substrat de déchets agricoles,
ces deux types de déchets étant riches en lignocellulose, matière organique récalcitrante non dégradée en conditions anaérobies .
Tests
On évalue dans les trois exemples décrits ci-après la performance de l'hydrolyse des déchets à traiter par la mesure du gain en production de méthane (désigné par l'acronyme BMP pour « biomethane potential ».
L'analyse BMP est réalisée selon les recommandations décrites par Angelidaki et al8. (2009) .
Résultats de tests
On a rassemblé dans le tableau 1 ci-après les mesures de BMP obtenues pour les trois exemples testés. Ces mesures sont présentées dans le tableau 1 sous forme d' indice par rapport au procédé traditionnel auquel on attribue un indice 100.
Tableau 1 mesures de BMP
Exemple 1 Exemple 2 Exemple 3
Procédé Procédé mettant en Procédé selon traditionnel œuvre des enzymes 1 ' invention
commerciales
Déchet 100 137 108
ménager (gain de 37% / (gain de 8%/ procédé procédé
traditionnel ) traditionnel )
Déchet 100 120 111
agricole (gain de 20% / (gain de 11%/ procédé procédé
traditionnel ) traditionnel ) Pour la réalisation de ces mesures, les mêmes volumes de mélanges enzymatiques ont été ajoutés pour les trois exemples. Mais, les compositions de ces mélanges ne sont pas identiques. Le tableau 2 ci-dessous présente la composition des mélanges utilisés dans les procédés d'hydrolyse et de méthanogénèse des exemples 2 et 3. Cette composition est indiquée dans le tableau 2 en unités enzymatiques/ml pour 3 enzymes principales :
• cellulase totale ou FPase,
• carboxymethylcellulase ou CMCase,
• et β-glucosidase .
Tableau 2
Les résultats du tableau 1 montrent certes qu'un gain en BMP est plus important par rapport au procédé traditionnel si des enzymes commerciales sont utilisées (37/8=4,6 fois plus pour des déchets ménagers, et 20/11= 1.8 plus pour des déchets agricoles). Mais, en termes d'unités enzymatiques, les écarts sont beaucoup plus importants entre le mélange d'enzymes commerciales de l'exemple 2 et le lixiviat de l'exemple 3 selon l'invention : ils varient entre 2 et 13,3 fois plus d'enzymes commerciales. Cela signifie que pour un rendement comparable, il y aura besoin d'ajouter plus d'enzymes commerciales que d'enzymes produites par biostimulation. A noter que ces dernières sont produites sous des conditions opératoires qui requièrent moins de coûts opérationnels. Les mélanges enzymatiques de biostimulation peuvent en effet contenir des enzymes accessoires qui permettent une hydrolyse plus efficace.
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Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement d'un premier substrat (1) au moins en partie organique et au moins en partie solide, comprenant les étapes suivantes :
A. introduction d'un volume initial dudit premier substrat (1) à traiter dans au moins un réacteur d'hydrolyse (4) ;
B. introduction d'un volume initial de second substrat
(2) dans au moins un réacteur de biostimulation
(3) ;
C. biostimulation du second substrat (2) contenu dans ledit réacteur de biostimulation ( 3 ) , dans des conditions aérobies, à une température comprise entre 20°C et 40°C, un pH compris entre 4 et 7, un taux d'humidité compris entre 50% et 80% et un temps de séjour compris entre 1 et 5 jours pour assurer une hydrolyse au moins partielle de la partie organique (11) dudit substrat (2) et la production in-situ d'enzymes hydrolytiques (31) ;
D. percolation d'un liquide (8) au travers dudit volume de second substrat (2) contenu dans ledit réacteur de bio-stimulation (3) , pour former un premier lixiviat (5) enrichi en enzymes hydrolytiques (31) ;
E. injection du premier lixiviat (5) enrichi en enzymes hydrolytiques (31) dans au moins un réacteur d'hydrolyse (4) contenant ledit premier substrat (1) à traiter ;
F. hydrolyse du premier substrat (1) par au moins en partie le premier lixiviat (5) enrichi ; la succession des étapes C et D définissant un cycle de bio-stimulâtion .
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les premier (1) et second (2) substrats sont identiques.
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les premier (1) et second (2) substrats sont différents.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les enzymes hydrolytiques (31) sont produites par des champignons filamenteux.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel les champignons filamenteux appartiennent au groupe constitué des champignons Trichoderma sp . , Aspergillus sp . , Pleurotus sp . , Pénicillium sp . , et Fomitopsis sp .
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à
5, dans lequel la succession des étapes C et D définissant un cycle de bio-stimulation est répétée jusqu'à épuisement dudit volume initial de second substrat (2) dans ledit réacteur de biostimulation (3) .
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à
6, comprenant une étape supplémentaire G d'introduction d'un nouveau volume de second substrat (2) dans ledit réacteur de biostimulation (3) lorsque le volume initial de second substrat (2) est épuisé.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à
7, dans lequel l'étape d'hydrolyse F est une étape d'hydrolyse se déroulant essentiellement en phase solide.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l'étape F d'hydrolyse se déroule dans un percolateur (40) et comprend les étapes : • de percolation dudit premier lixiviat (5) dans le réacteur d'hydrolyse (4) à travers ledit premier substrat (1) à traiter, pour obtenir un deuxième lixiviat (6) enrichi en enzymes hydrolytiques et en matières organiques (51) ; et
• de réinjection dudit deuxième lixiviat (6) dans ledit réacteur d'hydrolyse (4) jusqu'à épuisement du substrat ( 1 ) .
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, comprenant une étape supplémentaire H d'introduction d'un nouveau volume de premier substrat (1) dans ledit réacteur d'hydrolyse (4) lorsque le volume initial de premier substrat (1) est épuisé.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 10, dans lequel les substrats (1, 2) épuisés, qui sont issus du réacteur de bio-stimulation (3) et/ou du réacteur d'hydrolyse (4) lorsque l'étape d'hydrolyse F se déroule essentiellement en phase solide, sont traités par un traitement aérobie en vue d'obtenir un compost stabilisé (9) .
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'étape d'hydrolyse F est une étape d'hydrolyse se déroulant essentiellement en phase liquide dans un réacteur hydrolytique (41).
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8, 9 et 12, dans lequel les produits issus de l'étape d'hydrolyse F sont valorisés par une étape aval de méthanogénèse dans un méthaniseur (7) pour la production de biogaz, à l'issue de laquelle on obtient une eau traitée.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l'étape d'hydrolyse F est réalisée dans un réacteur de digestion anaérobie (42) pour le traitement du premier substrat (1) et la production de biogaz, à l'issue de laquelle on obtient une eau traitée.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, dans lequel le liquide percolant au cours de l'étape D) dans ledit réacteur de biostimulation (3) pour extraire les enzymes hydrolytiques (31) est au moins issu des eaux traitées en provenance du méthaniseur (7) ou du digesteur anaérobie (42) .
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, dans lequel les eaux traitées issues du méthaniseur (7) ou du digesteur anaérobie (41) sont aérées avant d'être recyclées pour être injectées dans ledit réacteur de biostimulation (3) .
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier lixiviat (5) enrichi en enzymes hydrolytiques est issu d'un unique réacteur de biostimulation (3) et alimente une pluralité de réacteurs d' hydrolyse ( 4 ) .
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape F d'hydrolyse du premier substrat se déroule pendant plusieurs cycles de biostimulation .
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