WO2019058073A1 - Procédé de contrôle d'un réacteur de fermentation sombre - Google Patents

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WO2019058073A1
WO2019058073A1 PCT/FR2018/052320 FR2018052320W WO2019058073A1 WO 2019058073 A1 WO2019058073 A1 WO 2019058073A1 FR 2018052320 W FR2018052320 W FR 2018052320W WO 2019058073 A1 WO2019058073 A1 WO 2019058073A1
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reaction medium
fermentation
reactor
electrical conductivity
product
Prior art date
Application number
PCT/FR2018/052320
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Inventor
Eric Trably
Florian PAILLET
Renaud ESCUDIE
Nicolas Bernet
Carole COUHERT BARRAU
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Institut National De La Recherche Agronomique
Trifyl
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Publication date
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P3/00—Preparation of elements or inorganic compounds except carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
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    • C12M41/30—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
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    • C12P7/40—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
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    • G01N27/06—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a liquid

Definitions

  • the present invention is in the field of the production of hydrogen and other products of microbial metabolism, by treatment of organic materials by dark fermentation. More particularly, the present invention relates to a process for controlling the reaction medium contained in a dark fermentation reactor for the production of dihydrogen and / or metabolic products, this control aimed at detecting / preventing a possible inhibition of production by ionic strength. .
  • Today, fossil fuels are the main primary sources of energy. Because of their negative impact on the environment, and the expected depletion of their natural reserves, in recent years alternative energy production processes have been developed, based on renewable resources, particularly organic biomass. Many of these processes are in particular implemented from industrial or household waste, which constitute sustainable resources for the production of energy.
  • Hydrogen is indeed considered as a particularly interesting source of energy for use in a large number of new technologies such as fuel cells, but also because of its high heat of combustion and the fact that water is the only product generated during its combustion.
  • the dark fermentation processes are conventionally carried out in fermentation reactors in which the organic matter is introduced and a mixed culture of microorganisms able to produce, by fermentation of this organic material under anaerobic conditions and in the dark, the dihydrogen thus volatile fatty acids and alcohols.
  • hydrogen and "dihydrogen” will be used indifferently to designate the gaseous product of the fermentation.
  • the main limitation of such processes is the accumulation in the reaction medium of inhibitors of the fermentation reaction, and among others ammonium ions and / or other ionic species.
  • the control of a biological fermentation reactor for the presence of such inhibitors is carried out by analyzing samples of the reaction medium for the presence of such inhibiting compounds. This analysis is carried out by techniques such as high performance liquid chromatography (HPLC) or gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC-MS), which are long and costly to implement.
  • HPLC high performance liquid chromatography
  • GC-MS gas chromatography coupled with mass spectrometry
  • these operations can not always be performed on site, which further complicates their use. Even in cases where these analysis operations can be carried out on site, they can only be performed in analysis laboratories that are more or less close to the fermentation reactor, which causes time losses for the operators. .
  • the present invention aims at remedying the disadvantages of the methods proposed by the prior art for the control of a reactor for the production of dihydrogen by the dark fermentation route, relative to the presence in this reactor of compounds which inhibit the fermentation reaction, in particular to the disadvantages described above, by proposing such a method that allows to control effectively, easily and in real time a biological fermentation reactor, so as to anticipate a possible decline in the efficiency of the fermentation reaction due to a presence Too many inhibitors of this reaction in the reactor, and thus to anticipate a possible malfunction of this reactor, and so that measures can be taken quickly enough to prevent this malfunction.
  • the invention also aims in particular that this method can be implemented directly on site, and / or moreover quickly and / or by means of reduced cost equipment.
  • the present inventors have now discovered that, quite surprisingly, there exists for each reaction product of dark biomass fermentation by hydrolytic / acidogenic microorganisms, a so-called critical ionic strength threshold beyond which there occurs a abrupt and strong decrease in the production of this product in the fermentation reactor, this threshold being not only the same regardless of the ionic species present in the reactor, but also regardless of the mixture of ionic species present therein and whatever the relative concentrations of these different species in this mixture. Beyond of this critical threshold, there is also a high variability in the production of the product concerned.
  • the ionic strength is thus a universal parameter always influencing the yield of the fermentation reaction in the same way, and which does not depend on the ionic inhibiting species present in the reactor, nor on their respective concentrations.
  • the electrical conductivity is proportional to the ionic strength
  • a measurement of the electrical conductivity of the reaction medium thus makes it possible to determine, whatever the microorganisms used, and whatever the substrate subjected to fermentation, if the critical threshold of ionic strength has or has not been reached. If this is the case, it is then possible to quickly proceed to appropriate corrective actions on the reaction medium, so as to pass below this critical threshold and to ensure that the yield of the fermentation reaction remains high. , thus avoiding any dysfunction of the reactor which is economically disadvantageous.
  • a method of controlling the reaction medium in a dark fermentation reactor that is to say fermentation carried out in the dark, reactor in which is or will be implemented, conventional manner in itself, the fermentation of a fermentable substrate by microorganisms under anaerobic conditions, for the production of a product selected from hydrogen and / or one or more products of microbial metabolism, including volatile fatty acids.
  • This method for controlling the reaction medium in the dark fermentation reactor for carrying out the fermentation of a fermentable substrate by microorganisms, under anaerobic conditions, is aimed in particular at evaluating whether or not the reaction medium contained in this reaction medium is compliant or not. reactor, vis-à-vis the ionic charge contained therein.
  • This process comprises:
  • the comparison of the electrical conductivity value thus measured with a predetermined threshold value associated with said product referred to as the threshold value critical, indicative of an undesirable inhibition of the production of said product by the ionic species in the presence in the reaction medium
  • the measurement of electrical conductivity can be carried out according to any method known to those skilled in the art, and by means of any conventional apparatus in itself.
  • the process according to the invention is advantageously applicable to all types of dark biological fermentation reactions, in particular to reactions aimed mainly at the production of hydrogen and / or reactions aimed primarily at the production of metabolic products, such as volatile fatty acids, lactic acid, or alcohols.
  • Such a threshold value corresponds more particularly to the electrical conductivity value of the reaction medium for which a significant reduction, that is to say at least 30% (which is for example the case when the product is a volatile fatty acid or a mixture of volatile fatty acids), in particular at least 50% (which is for example the case when the product is hydrogen), and abruptly, the formation yield of this product. Beyond this threshold value, there is also a sharp increase in the production variability of said product.
  • this threshold value is universal for the product of interest associated, that is to say that it is substantially identical regardless of the operating conditions implemented in the fermentation reactor, in particular whatever the substrate subjected to fermentation, the microbial population in the reactor and more generally the composition of the reaction medium, the result thus obtained can be extrapolated to all the fermentation reactions from complex organic substrates, carried out under conditions adapted to the obtaining the product in question.
  • the process according to the invention makes it possible, from simple measurements of the electrical conductivity of the reaction medium contained in the fermentation reactor, to measure in real time the total charge of the ions contained in the reactor.
  • this reaction medium to detect, at the same time as it occurs or even before, a possible reactor malfunction due to too much ionic charge so that the fermentation reaction can be performed with a satisfactory performance. This detection then makes it possible to take corrective measures by directly modifying the conditions in the reactor, in order to prevent this dysfunction.
  • the method according to the invention may comprise a preliminary step of determining, for a product of the given fermentation reaction, the associated predetermined threshold value, indicative of an undesirable inhibition of the production of said product by the ionic species present in the product. reaction medium contained in the reactor.
  • This step can in particular be carried out as described above, by implementing a dark fermentation reaction of a given fermentable substrate, for example a model substrate, and determining, at different time intervals, on the one hand the production yield of the product of interest, and secondly the electrical conductivity of the corresponding medium, then deducing to what value of electrical conductivity corresponds the abrupt decrease in the yield of the fermentation reaction which occurs at a given time in the reactor.
  • the electrical conductivity value thus determined is advantageously universal for all the dark fermentation reactions under anaerobic conditions for the production of this product of interest.
  • this step of determining the predetermined threshold value is carried out with the same operating conditions, in particular of pH, temperature and dryness, as the conditions which it is desired to apply, in the dark fermentation reactor, for the fermentation reaction. which will be controlled.
  • the method according to the invention may furthermore respond to one or more of the characteristics described below, implemented individually or in each of their technically operating combinations.
  • the control method according to the invention comprises comparing the electrical conductivity value of the reaction medium with a predetermined threshold value to be indicative of a character of non-compliance of the reaction medium, in terms of charge. ionic content in this medium, this value is still substantially the same for a given product, regardless of the ions responsible for the inhibition of the fermentation reaction occurring in the reactor, and in particular regardless of the influent to be treated introduced into the reactor.
  • the product of interest is dihydrogen
  • the associated predetermined threshold value is 55 mS / cm ⁇ 4 mS / cm. This is particularly the case for fermentation conditions according to which the pH is between 5 and 7, the temperature is about 37 ° C. and the level of dry matter in the reaction medium is about 3%, for example when the substrate is the fermentable fraction of household waste.
  • the product of interest is a volatile fatty acid, or a mixture of volatile fatty acids
  • the predetermined predetermined threshold value is equal to 46 mS / cm ⁇ 3 mS / cm.
  • the control method according to the invention is implemented before the beginning of the fermentation, that is to say before the introduction of a new influent to be processed in the latter. This ensures advantageously that the reaction medium already contained in the reactor is in accordance with the present invention, that is to say as to its level of ionic strength, before engaging the fermentation reaction of a new batch of influential.
  • the control method is implemented at least once a day for the control of the reaction medium contained in the reactor, for example once a day. Such a rate is sufficient to detect a possible malfunction of the reactor due to an excessive ionic charge in the reaction medium, just before this malfunction occurs, or at the very moment when it occurs.
  • the method according to the invention can use a single device for measuring the electrical conductivity of the reaction medium, or a plurality of such devices, configured and each arranged to take a measurement at a different location of the reactor.
  • a mode of implementation with several such devices is particularly interesting for large reactors.
  • the electrical conductivity value which is compared, according to the invention, with the predetermined threshold value can then be equal to the average of the electrical conductivity values measured by the different measuring devices used.
  • the electrical conductivity of the reaction medium can be measured inside the reactor.
  • the measurement of the electrical conductivity of the reaction medium contained in the reactor is carried out by measuring the electrical conductivity of an effluent obtained in reactor outlet during the implementation of the fermentation. It has been found by the present inventors that the electrical conductivity of such an effluent leaving the reactor is representative of the electrical conductivity of the reaction medium inside the reactor, insofar as the ionic species responsible for this electrical conductivity are soluble in this effluent.
  • the process according to the invention may comprise a step of stopping the operation of the reactor.
  • the control method comprises, when a non-compliant character is attributed to the reaction medium contained in the reactor, a step of modifying this reaction medium to reduce the concentration of species therein. ionic.
  • Such an action can in particular consist of a dilution of the reaction medium by means of an organic co-substrate, which ensures a partial renewal of the reaction medium.
  • the fermentation reactor may be of any conventional type in itself for the production, by dark fermentation under anaerobic conditions, and preferably in mixed bacterial culture, of gaseous dihydrogen or other metabolic products obtainable by hydrolysis and or biological acidogenesis, from organic biomass, in particular carbohydrates.
  • It may also be a stirred reactor, an upstream or downflow anaerobic reactor, a fluidized bed reactor, a reactor operating batchwise or continuously with variable operating time, than any other type of reactor known to those skilled in the art for this application.
  • the process according to the invention can be applied for the control of a reactor in which fermentation of any type of fermentable substrate is carried out, especially substrates rich in (poly) saccharides, such as the fermentable fractions of the by-products of agricultural origin, waste water from the agri-food industries, or the fermentable fractions of industrial or household waste, particularly solid waste.
  • substrates rich in (poly) saccharides such as the fermentable fractions of the by-products of agricultural origin, waste water from the agri-food industries, or the fermentable fractions of industrial or household waste, particularly solid waste.
  • the operating conditions used in the reactor are conventional in themselves.
  • the reaction medium thus contains microorganisms of suitable properties for the fermentation production of the targeted product, in particular hydrolytic microorganisms and, where appropriate, microorganisms. acidogenic, preferentially bacterial, in a culture medium containing the nutrients necessary for their survival and their operation for the fermentation of a fermentable substrate.
  • the reaction medium contains a mixed bacterial culture.
  • the bacteria used in the reaction medium, the method according to the invention aims to ensure control, are, in a conventional manner in itself, bacteria capable of producing hydrogen by fermentation of biomass, under anaerobic conditions , not requiring the energy of light to do this.
  • These bacteria use enzyme systems which hydrolyze the polymers constituting the organic matter into monomers, and then optionally the acidogenesis of these monomers to form metabolic products such as volatile fatty acids and alcohols. In doing so, they produce dihydrogen in gaseous form in the reaction medium.
  • These chemotropic bacteria can be extremely diverse, and both mesophilic and thermophilic. They can be of the strict or optional anaerobic type.
  • the bacteria used in the reaction medium of the fermentation reactor may be selected from the bacterial species species Clostridium sp., Enterobacter sp., Bacillus sp. in mesophilic conditions, under conditions of temperature between 20 and 40 ° C, or of the bacterial genus Thermoanaerobacter sp. in thermophilic conditions under conditions of temperature between 50 and 70 ° C, these species can be implemented alone or in mixture.
  • the reaction medium contained in the fermentation reactor is conventionally an aqueous medium, of acidic or neutral type.
  • the pH of the reaction medium is between 5 and 5
  • the temperature of the reaction medium is preferably between 20 and 40 ° C., suitable for mesophilic bacteria, or between 50 and 70 ° C. temperature is then more particularly suitable for thermophilic bacteria.
  • the level of dry matter contained in the fermentation reactor can meanwhile, in a conventional manner, be less than or equal to 30%.
  • the features and advantages of the invention will emerge more clearly in the light of the following examples of implementation, provided for illustrative purposes only and in no way limitative of the invention, with the support of FIGS. 1 to 3, in which:
  • FIG. 1 shows a graph showing the evolution of the volume of hydrogen produced during a dark fermentation reaction of a fermentable substrate by anaerobic bacteria (expressed in ml per gram of MV volatile matter present in the reaction medium) depending on the electrical conductivity of the reaction medium, after introduction into the reaction medium of different mixtures of ionic species at different concentrations (mixtures A, B, C, D and E);
  • FIG. 2 shows a graph showing the evolution of a portion of the hydrogen yield of a dark fermentation reaction of a fermentable substrate by anaerobic bacteria (expressed in ml per gram of volatile materials MV present in the reaction medium ), and on the other hand the reduction of the hydrogen yield relative to an untreated control, as a function of the electrical conductivity of the reaction medium, each point representing the average of three points of the graph of Figure 1 associated with the same electrical conductivity ;
  • FIG. 3 shows a graph showing the evolution, on the one hand, of the yield of metabolites (AGVs) of a dark fermentation reaction of a fermentable substrate by anaerobic bacteria (expressed in gram of chemical oxygen demand COD by liter of reaction medium), and on the other hand the reduction in the yield of metabolites relative to an untreated control, as a function of the electrical conductivity of the reaction medium, after introduction into the reaction medium of different species mixtures. Ionic at different concentrations (mixtures A, B, C, D and E), each point corresponding to the average of three results obtained for different mixtures associated with the same value of electrical conductivity.
  • the substrate is a reconstituted organic fraction of solid household waste, prepared freshly to present the composition indicated in Table 1 below.
  • Table 1 - Composition of the substrate For this purpose, meat, rice, potatoes and coffee grounds were cooked and mixed with yogurt and bread. Garden waste, paper and cardboard were shredded and sieved to 1 cm.
  • the proportion of solids (DM) and the proportion of volatiles (MV) of the substrate thus obtained are about 74% (0.74 gMS / g) and 63% (0.63 gMV / g), respectively.
  • the substrate was prepared extemporaneously for each experiment, without storage time, in order to obtain an identical substrate for the different experiments carried out.
  • a leachate rich in microbes was taken from methanogenic cells solid household waste storage.
  • the majority of initial bacterial species in this leachate are species of the bacterial genera Clostridium and Bacillus.
  • the initial leachate pH was measured at 7.64, with a dry matter content and volatile matter content of 2.05% and 0.74%, respectively. Since this leachate contained a large amount of ammonium ions (3.00 g / l of total ammoniacal nitrogen), pretreatment was carried out to remove the ammoniacal nitrogen, bubbling for 3 hours at pH 9, at a temperature of 90 ° C. The removal efficiency of ammoniacal nitrogen was 95%. More specifically, the pretreatment to remove ammoniacal nitrogen from the leachate was carried out as follows.
  • the microbial community was previously extracted from the leachate by centrifugation at 8000 rpm for 30 min to separate the solid phase (bacteria) from the liquid phase.
  • the pH of the liquid phase was adjusted to 9, then the solution was inserted into a bottle and a peristaltic pump was placed in the inlet to cause bubbling in the air.
  • a condenser was placed at the outlet to prevent evaporation of product other than air and the NH 3 removed from the solution.
  • the solution was brought to 90 ° C. and the bubbling maintained for 3 hours.
  • the pH of the solution was adjusted according to the parameters set during the experiments, then the microbial community reintroduced into the liquid phase.
  • Each fermentation reactor is a 500 ml batch reactor with a working volume of 400 ml. Each experiment is carried out at 37 ° C. using a water bath regulated by polystat, the pH of the reaction medium being initially fixed at a value of 6 by means of sodium hydroxide (10 M).
  • the total raw quantities of substrate and leachate initially introduced into the reaction medium are 14.6 g and 136 g, respectively.
  • the culture medium contains 9.25 g of volatile matter of the substrate inoculated with the microorganism-rich leachate (0.46 g volatiles), to reach a substrate / biomass ratio of 20 (based on the volatile material).
  • the dry matter content is 3%.
  • a stream of nitrogen is introduced into each reactor before each experiment for 5 min to remove traces of oxygen.
  • Mixture A NaCl, KH 2 PO 4 , LiBr, KI, (NH 4 ) 2 SO 4 , MnCl 2 .4H 2 O, MgSO 4 .7H 2 O
  • each mixture the different ionic species are present in identical molar concentrations.
  • the use of a mixture of several ions makes it possible to observe the effect of the overall ionic strength contained in the reaction medium, while reducing the impact of each individual compound.
  • each of the reactors one of the above mixtures is added, in a given total ionic species concentration (in a range of increasing concentrations of between 0 and 4 mol / l), and the fermentation reaction is then allowed to proceed. produce in the dark.
  • a control is carried out according to the same experimental protocol but without the addition of ions in the reaction medium.
  • Equation 1 Equation 1 where n H 2 is the number of moles of hydrogen, V H s is the volume of the headspace of the reactor (m 3 ), P is the pressure in the reactor (Pa), R is the universal gas constant perfect (J / mol.K), T the temperature (K) and% H 2 the proportion of hydrogen in the headspace of the reactor.
  • the hydrogen production data is introduced into a modified Gompertz equation (Equation 2 below) to determine the following 3 parameters: hydrogen potential, maximum hydrogen production rate, and lag time, according to the method described in Chen et al., 2006, Int. J. Hydrogen Energy, 31, 2170-2178.
  • the Gompertz equation is adjusted under the R grofit package using a nonlinear regression method.
  • Equation 2 H (t) is the cumulated hydrogen volume (ml) at time t, H is the hydrogen potential (ml), R is the maximum rate of hydrogen production (ml / h / d) ), ⁇ is the latency time, e is the number of Euler and t is the time.
  • the hydrogen yield is determined from the accumulated hydrogen volume and the amount of volatile matter from the substrate (9.25 gMV) according to Equation 3: H it)
  • RdtH 2 is the hydrogen yield (mlH 2 / gMV)
  • H (t) is the cumulated hydrogen volume (ml)
  • mMV is the amount of volatiles in the medium (g).
  • the reduction of the hydrogen yield is calculated and corresponds to the ratio between the hydrogen yield obtained during the control and the hydrogen yield observed during the various additions of each of the mixtures.
  • VFAs volatile fatty acids
  • the supernatant stored at -20 ° C. makes it possible to carry out the analysis of AGVs by gas chromatography (GC), as well as the analysis of other metabolites such as ethanol and lactate by high performance liquid chromatography (HPLC).
  • GC gas chromatography
  • HPLC high performance liquid chromatography
  • the volatile fatty acid concentrations are determined by gas chromatography using a Perkin Clarus® 580 chromatograph with a 15 'crossbond® carbowax® Elite-FFAP column connected to a 280 ° C flame ionization detector, using nitrogen at 6 ml / min as a carrier gas, as described in Motte et al. 2014, in Ind. Crops Prod. 52, 695-701.
  • the electrical conductivity is measured on samples of reaction medium taken at the beginning and end of each experiment using a WTW conductivity meter model LF325 A / SET.
  • the electrical conductivity and the volume of hydrogen in the reactor are determined, for each of the mixtures and ionic species concentrations tested, at the end of the experiment.
  • the decrease in the yield of metabolites is estimated and corresponds to the ratio between the yield of total metabolites obtained for the control and the yield of total metabolites observed during the different additions of each of the mixtures of ionic species.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de contrôle du milieu réactionnel dans un réacteur de fermentation sombre dans lequel est mise en œuvre la fermentation d'un substrat fermentescible par des microorganismes en conditions anaérobies, pour la production d'un produit choisi parmi l'hydrogène et les acides gras volatils. Ce procédé comprend la mesure de la conductivité électrique du milieu réactionnel, et la comparaison de la valeur mesurée avec une valeur seuil prédéterminée associée au produit, indicative d'une inhibition de la production de ce produit par les espèces ioniques présentes dans le milieu réactionnel. Si la valeur de conductivité électrique mesurée est supérieure à cette valeur seuil, le milieu réactionnel est considéré comme non satisfaisant et nécessitant des mesures correctrices.

Description

PROCÉDÉ DE CONTRÔLE D'UN RÉACTEUR DE FERMENTATION SOMBRE
La présente invention s'inscrit dans le domaine de la production d'hydrogène et autres produits du métabolisme microbien, par traitement de matières organiques par fermentation sombre. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de contrôle du milieu réactionnel contenu dans un réacteur de fermentation sombre pour la production de dihydrogène et/ou de produits métaboliques, ce contrôle visant à détecter / prévenir une éventuelle inhibition de la production par la force ionique. De nos jours, les matières fossiles constituent les principales sources primaires d'énergie. En raison de leur impact négatif sur l'environnement, et de l'épuisement prévu de leurs réserves naturelles, il a été développé depuis quelques années des procédés alternatifs de production d'énergie, à base de ressources renouvelables, et notamment de biomasse organique. Nombre de ces procédés sont en particulier mis en œuvre à partir de déchets industriels ou ménagers, qui constituent des ressources durables pour la production d'énergie. Il a par exemple été reporté en 2012 que les villes du monde généraient environ 1 ,3 milliards de tonnes de déchets solides par an, et que ce chiffre devrait monter jusqu'à 2,2 milliards de tonnes d'ici 2025. La fraction organique des déchets solides ménagers présente en particulier une forte valeur calorifique, en raison de son fort taux en matières volatiles, ce qui la rend particulièrement adaptée à la production d'énergie.
Parmi les différents procédés de production d'énergie à partir de ressources renouvelables ainsi développés, on peut citer en particulier la digestion anaérobie, selon laquelle la matière organique est convertie en méthane par des microorganismes. Le méthane a été le premier, et pendant longtemps le principal, gaz produit à partir de déchets solides ménagers.
Dans les dernières années, des procédés alternatifs à la méthanisation ont été développés pour produire de l'hydrogène à partir de biomasses diverses et variées, en particulier par le processus de fermentation sombre. L'hydrogène est en effet considéré comme une source d'énergie particulièrement intéressante pour une utilisation dans un grand nombre de nouvelles technologies telles que celles des piles à combustible, mais également en raison notamment de sa forte chaleur de combustion et du fait que l'eau est le seul produit généré lors de sa combustion.
La production d'hydrogène par fermentation sombre de déchets fermentescibles met en œuvre, dans des conditions anaérobies, des cultures mixtes de microorganismes chimiotrophes aptes à réaliser l'hydrolyse et l'acidification de la matière organique, et en particulier des (poly)saccharides. Ces réactions produisent du dihydrogène et des produits métaboliques (métabolites) tels que des acides gras volatils (AGVs), par exemple de l'acide acétique et de l'acide butyrique, et des alcools, par exemple de l'éthanol.
Mise en œuvre sur des déchets industriels ou ménagers fermentescibles, la fermentation sombre permet avantageusement de coupler l'épuration de la matière organique avec la production d'énergie renouvelable.
Les procédés de fermentation sombre sont classiquement mis en œuvre dans des réacteurs de fermentation dans lesquels sont introduites la matière organique et une culture mixte de microorganismes aptes à produire, par fermentation de cette matière organique en conditions anaérobies et à l'obscurité, du dihydrogène ainsi que des acides gras volatils et des alcools.
Dans la présente description, on utilisera indifféremment les termes « hydrogène » et « dihydrogène » pour désigner le produit gazeux de la fermentation.
La principale limitation de tels procédés est l'accumulation dans le milieu réactionnel d'inhibiteurs de la réaction de fermentation, et entre autres des ions ammonium et/ou d'autres espèces ioniques. A l'heure actuelle, le contrôle d'un réacteur de fermentation biologique pour la présence de tels inhibiteurs est réalisé par analyse d'échantillons du milieu réactionnel pour la présence de tels composés inhibiteurs. Cette analyse est réalisée par des techniques telles que la chromatographie liquide haute performance (HPLC) ou la chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS), qui sont longues et coûteuses à mettre en œuvre. En outre, ces opérations ne peuvent pas toujours être réalisées sur site, ce qui complique plus encore leur utilisation. Même dans les cas où ces opérations d'analyse peuvent être réalisées sur site, elles ne peuvent l'être que dans des laboratoires d'analyse qui sont plus ou moins proches du réacteur de fermentation, ce qui entraîne des pertes de temps pour les opérateurs. Au final, lorsque sont obtenus des résultats d'analyse négatifs, c'est-à-dire témoignant d'une concentration trop importante en composés inhibiteurs dans le milieu réactionnel pour assurer un rendement satisfaisant de la réaction de fermentation, le réacteur a déjà continué à fonctionner de manière insatisfaisante pendant une période pouvant être relativement longue. Une telle perte d'efficacité constitue un obstacle au développement des procédés de fermentation sombre pour la production d'hydrogène, ou de produits métaboliques, à l'échelle industrielle. II n'existe à ce jour aucun procédé permettant de réaliser de manière simple le contrôle du milieu réactionnel d'un réacteur de fermentation biologique sombre afin de déterminer si les conditions, en termes de concentration d'inhibiteurs ioniques dans ce milieu, sont ou non favorables à un rendement satisfaisant de la réaction de fermentation. La présente invention vise à remédier aux inconvénients des procédés proposés par l'art antérieur pour le contrôle d'un réacteur de production de dihydrogène par la voie fermentaire sombre, relativement à la présence dans ce réacteur de composés inhibiteurs de la réaction de fermentation, notamment aux inconvénients exposés ci-avant, en proposant un tel procédé qui permette de contrôler efficacement, facilement et en temps réel un réacteur de fermentation biologique, de sorte à permettre d'anticiper une baisse éventuelle du rendement de la réaction de fermentation liée à une présence trop importante d'inhibiteurs de cette réaction dans le réacteur, et donc d'anticiper un dysfonctionnement éventuel de ce réacteur, et de sorte à pouvoir prendre suffisamment vite des mesures permettant d'éviter ce dysfonctionnement.
L'invention vise également notamment à ce que ce procédé puisse être mis en œuvre directement sur site, et/ou qui plus est rapidement et/ou au moyen d'appareillage de coût réduit.
Elle vise également à ce que ce procédé soit applicable quelle que soit la nature du substrat et quelles que soient les espèces microbiennes mises en œuvre.
Il a été observé par l'art antérieur, illustré notamment par la publication de Van Niel et al., 2003, dans Biotechnol. Bioeng. 81 , 255-262, que différents couples d'ions et contre-ions inhibent la production de dihydrogène lors de la fermentation de sucrose par une culture pure de la bactérie hautement thermophile Caldicellulosiruptor saccharolyticus. Les auteurs en ont déduit que la force ionique de chacun de ces couples ioniques serait responsable de l'inhibition de la production d'hydrogène par fermentation sombre, chaque couple ionique présentant une concentration inhibitrice critique qui lui est propre. L'influence de la force ionique sur la réaction de production d'hydrogène par fermentation sombre a également été étudiée dans la publication de Zheng et al., 2005, dans Environmental Technology, 26, 1073- 1080. Après avoir indiqué que la force ionique est déterminée à la fois par l'espèce ionique particulière en présence et par sa concentration dans le milieu réactionnel, les auteurs se sont plus particulièrement intéressés à l'influence de la concentration en chlorure de sodium sur la production d'hydrogène par fermentation sombre de glucose en milieu de culture modèle.
Les présents inventeurs ont maintenant découvert que, de manière tout à fait surprenante, il existe, pour chaque produit de réaction de fermentation sombre de biomasse par des microorganismes hydrolytiques / acidogènes, un seuil de force ionique dit critique au-delà duquel il se produit une diminution brusque et forte de la production de ce produit dans le réacteur de fermentation, ce seuil étant non seulement le même quelle que soit l'espèce ionique présente dans le réacteur, mais également quel que soit le mélange d'espèces ioniques qui y sont présentes et quelles que soient les concentrations relatives de ces différentes espèces dans ce mélange. Au-delà de ce seuil critique, on observe en outre une forte variabilité de la production du produit visé. La force ionique est ainsi un paramètre universel influant toujours de la même manière sur le rendement de la réaction de fermentation, et qui ne dépend ni des espèces ioniques inhibitrices en présence dans le réacteur, ni de leurs concentrations respectives.
La conductivité électrique étant proportionnelle à la force ionique, une mesure de la conductivité électrique du milieu réactionnel permet ainsi de déterminer, quels que soient les microorganismes mis en œuvre, et quel que soit le substrat soumis à fermentation, si le seuil critique de force ionique a ou non été atteint. Si c'est le cas, il est alors possible de procéder rapidement à des actions correctives adéquates sur le milieu réactionnel, de sorte à repasser en-dessous de ce seuil critique et d'assurer que le rendement de la réaction de fermentation reste toujours élevé, évitant ainsi tout dysfonctionnement du réacteur qui soit économiquement pénalisant. Ainsi, il est proposé selon la présente invention un procédé de contrôle du milieu réactionnel dans un réacteur de fermentation sombre, c'est-à-dire de fermentation réalisée dans l'obscurité, réacteur dans lequel est ou va être mise en œuvre, de manière classique en elle-même, la fermentation d'un substrat fermentescible par des microorganismes en conditions anaérobies, pour la production d'un produit choisi parmi l'hydrogène et/ou un ou des produits du métabolisme microbien, notamment les acides gras volatils.
Ce procédé de contrôle du milieu réactionnel dans le réacteur de fermentation sombre pour la mise en œuvre de la fermentation d'un substrat fermentescible par des microorganismes, en conditions anaérobies, vise en particulier à évaluer le caractère conforme ou non du milieu réactionnel contenu dans ce réacteur, vis-à-vis de la charge ionique qui y est contenue. Ce procédé comprend :
- la mesure de la conductivité électrique du milieu réactionnel,
- la comparaison de la valeur de conductivité électrique ainsi mesurée avec une valeur seuil prédéterminée associée audit produit, dite valeur seuil critique, indicative d'une inhibition indésirable de la production dudit produit par les espèces ioniques en présence dans le milieu réactionnel,
- et, si la valeur de conductivité électrique mesurée est supérieure à cette valeur seuil, l'attribution d'un caractère non conforme au milieu réactionnel.
La mesure de conductivité électrique peut être réalisée selon toute méthode connue de l'homme du métier, et au moyen de tout appareillage classique en lui-même.
Le procédé selon l'invention s'applique avantageusement à tous types de réactions de fermentation biologique sombre, notamment aux réactions visant principalement la production d'hydrogène et/ou aux réactions visant principalement la production de produits métaboliques, tels que des acides gras volatils, de l'acide lactique, ou des alcools.
Il s'applique ainsi avantageusement au contrôle tant des réacteurs dits de production d'hydrogène gazeux, que des réacteurs de fermentation dits d'acidogénèse, pour la production d'acides gras volatils, c'est-à-dire d'acides comportant une chaîne carbonée relativement courte, de 2 à 10 atomes de carbone environ. Des exemples de tels acides gras volatils sont l'acide acétique, l'acide propionique, l'acide butyrique, etc. Ces acides gras volatils, tout comme les autres produits métaboliques des réactions de fermentation sombre, trouvent notamment une application avantageuse en tant que molécules plateformes pour la synthèse organique.
Il entre dans les compétences de l'homme du métier de déterminer, pour chaque produit d'intérêt donné formé lors de la réaction de fermentation, la valeur seuil prédéterminée associée au-delà de laquelle il sera considéré que le milieu réactionnel n'est plus conforme, au sens de la présente invention, c'est-à-dire que ce milieu réactionnel ne permet plus d'obtenir ledit produit avec un rendement satisfaisant, du fait de la présence d'une charge ionique trop importante. Une telle valeur seuil correspond plus particulièrement à la valeur de conductivité électrique du milieu réactionnel pour laquelle on observe une diminution importante, c'est-à-dire d'au moins 30 % (ce qui est par exemple le cas lorsque le produit est un acide gras volatil ou un mélange d'acides gras volatils), notamment d'au moins 50 % (ce qui est par exemple le cas lorsque le produit est l'hydrogène), et brusque, du rendement de formation de ce produit. Au-delà de cette valeur seuil, on observe également une forte augmentation de la variabilité de production dudit produit.
A l'effet de déterminer cette valeur seuil, pour un produit donné, l'homme du métier pourra notamment mener des expériences préalables sur des milieux réactionnels modèles, et déterminer pour ces milieux réactionnels, à différents intervalles de temps, d'une part le rendement de production du produit d'intérêt, et d'autre part la conductivité électrique du milieu correspondante, afin de déterminer à quelle valeur de conductivité électrique correspond la diminution brusque de rendement de la réaction de fermentation provoquée par l'inhibition de cette réaction par la force ionique devenue trop importante dans le réacteur.
Avantageusement, comme exposé ci-avant, cette valeur seuil étant universelle pour le produit d'intérêt associé, c'est-à-dire qu'elle est sensiblement identique quelles que soient les conditions opératoires mises en œuvre dans le réacteur de fermentation, notamment quels que soient le substrat soumis à fermentation, la population microbienne dans le réacteur et plus généralement la composition du milieu réactionnel, le résultat ainsi obtenu est extrapolable à toutes les réactions de fermentation à partir de substrats organiques complexes, réalisées dans des conditions adaptées à l'obtention du produit en question. Ainsi, de manière tout à fait avantageuse, le procédé selon l'invention permet, à partir de simples mesures de conductivité électrique du milieu réactionnel contenu dans le réacteur de fermentation, ces mesures permettant de connaître en temps réel la charge totale des ions contenus dans ce milieu réactionnel, de détecter, au moment même où il se produit ou même avant, un éventuel dysfonctionnement du réacteur dû à une charge ionique trop importante pour que la réaction de fermentation puisse se réaliser avec une performance satisfaisante. Cette détection permet alors de prendre des mesures correctrices, en modifiant directement les conditions dans le réacteur, afin de prévenir ce dysfonctionnement.
Ceci est réalisé par un procédé de contrôle facile et rapide à mettre en œuvre, en temps réel, directement sur site, et au moyen d'un conductimètre électrique, appareillage simple, peu coûteux, robuste, transportable et facile d'utilisation.
Le procédé selon l'invention peut comprendre une étape préalable de détermination, pour un produit de la réaction de fermentation donné, de la valeur seuil prédéterminée associée, indicative d'une inhibition indésirable de la production dudit produit par les espèces ioniques en présence dans le milieu réactionnel contenu dans le réacteur.
Cette étape peut notamment être réalisée comme décrit ci-avant, en mettant en œuvre une réaction de fermentation sombre d'un substrat fermentescible donné, par exemple d'un substrat modèle, et en déterminant, à différents intervalles de temps, d'une part le rendement de production du produit d'intérêt, et d'autre part la conductivité électrique du milieu correspondante, puis en déduisant à quelle valeur de conductivité électrique correspond la diminution brusque de rendement de la réaction de fermentation qui se produit à un temps donné dans le réacteur. La valeur de conductivité électrique ainsi déterminée est avantageusement universelle pour toutes les réactions de fermentation sombre en conditions anaérobies pour la production de ce produit d'intérêt donné. De préférence, cette étape de détermination de la valeur seuil prédéterminée est réalisée avec les mêmes conditions opératoires, notamment de pH, température et siccité, que les conditions qu'il est souhaité appliquer, dans le réacteur de fermentation sombre, pour la réaction de fermentation qui sera à contrôler.
Le procédé selon l'invention peut en outre répondre à l'une ou plusieurs des caractéristiques décrites ci-après, mises en œuvre isolément ou en chacune des leurs combinaisons techniquement opérantes. Comme exposé ci-avant, le procédé de contrôle selon l'invention comprend la comparaison de la valeur de conductivité électrique du milieu réactionnel avec une valeur seuil prédéterminée pour être indicative d'un caractère de non-conformité du milieu réactionnel, en termes de charge ionique contenue dans ce milieu, cette valeur étant toujours sensiblement la même pour un produit donné, quels que soient les ions responsables de l'inhibition de la réaction de fermentation se produisant dans le réacteur, et en particulier quel que soit l'influent à traiter introduit dans le réacteur.
Lorsque la fermentation est réalisée dans des conditions visant à produire du dihydrogène, le produit d'intérêt est le dihydrogène, et la valeur seuil prédéterminée associée est égale à 55 mS/cm ± 4 mS/cm. Ceci est notamment le cas pour des conditions de fermentation selon lesquelles le pH est compris entre 5 et 7, la température est d'environ 37 °C et le taux de matière sèche dans le milieu réactionnel est d'environ 3 %, par exemple lorsque le substrat est la fraction fermentescible d'ordures ménagères.
Lorsque la fermentation est réalisée dans les conditions visant à produire un autre produit métabolique, et plus précisément des acides gras volatils, le produit d'intérêt est un acide gras volatil, ou un mélange d'acides gras volatils, et la valeur seuil prédéterminée associée est égale à 46 mS/cm ± 3 mS/cm. Ceci est notamment le cas pour des conditions de fermentation selon lesquelles le pH est compris entre 5 et 7, la température est d'environ 37 °C et le taux de matière sèche dans le milieu réactionnel est d'environ 3 %, par exemple lorsque le substrat est la fraction fermentescible d'ordures ménagères. Préférentiellement, le procédé de contrôle selon l'invention est mis en œuvre avant le début de la fermentation, c'est-à-dire avant l'introduction d'un nouvel influent à traiter dans ce dernier. On s'assure ainsi avantageusement que le milieu réactionnel déjà contenu dans le réacteur est conforme, au sens de la présente invention, c'est-à-dire quant à son niveau de force ionique, avant d'engager la réaction de fermentation d'un nouveau lot d'influent.
Dans des modes de mise en œuvre de l'invention, particulièrement adaptés à une configuration dans laquelle le réacteur de fermentation fonctionne en continu, le procédé de contrôle est mis en œuvre au moins une fois par jour pour le contrôle du milieu réactionnel contenu dans le réacteur, par exemple une fois par jour. Une telle cadence suffit à détecter un dysfonctionnement éventuel du réacteur, du à une charge ionique trop importante dans le milieu réactionnel, juste avant que ce dysfonctionnement ne se produise, ou au moment même où il se produit.
Le procédé selon l'invention peut utiliser un seul dispositif de mesure de la conductivité électrique du milieu réactionnel, ou une pluralité de tels dispositifs, configurés et disposés chacun pour prendre une mesure à un endroit différent du réacteur. Un mode de mise en œuvre avec plusieurs tels dispositifs s'avère notamment intéressant pour les réacteurs de grande taille. La valeur de conductivité électrique qui est comparée, selon l'invention, à la valeur seuil prédéterminée peut alors être égale à la moyenne des valeurs de conductivité électrique mesurées par les différents dispositifs de mesure utilisés.
La conductivité électrique du milieu réactionnel peut être mesurée à l'intérieur du réacteur.
Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l'invention, particulièrement avantageux d'un point de vue pratique, la mesure de la conductivité électrique du milieu réactionnel contenu dans le réacteur est réalisée par mesure de la conductivité électrique d'un effluent obtenu en sortie du réacteur lors de la mise en œuvre de la fermentation. Il a été constaté par les présents inventeurs que la conductivité électrique d'un tel effluent en sortie du réacteur est représentative de la conductivité électrique du milieu réactionnel à l'intérieur du réacteur, dans la mesure où les espèces ioniques responsables de cette conductivité électrique sont solubles dans cet effluent.
Lorsqu'un caractère non conforme est attribué au milieu réactionnel contenu dans le réacteur, le procédé selon l'invention peut comprendre une étape d'arrêt du fonctionnement du réacteur. Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l'invention, le procédé de contrôle comprend, lorsqu'un caractère non conforme est attribué au milieu réactionnel contenu dans le réacteur, une étape de modification de ce milieu réactionnel pour y diminuer la concentration en espèces ioniques. Une telle action, dite correctrice, peut notamment consister en une dilution du milieu réactionnel au moyen d'un co-substrat organique, qui assure un renouvellement partiel du milieu réactionnel.
Le réacteur de fermentation peut être de tout type classique en lui- même pour la production, par fermentation sombre en conditions anaérobies, et de préférence en culture bactérienne mixte, de dihydrogène gazeux ou d'autres produits métaboliques susceptibles d'être obtenus par hydrolyse et/ou acidogénèse biologiques, à partir de biomasse organique, notamment de carbohydrates.
Il peut aussi bien s'agir d'un réacteur maintenu sous agitation, d'un réacteur anaérobie à flux ascendant ou descendant, d'un réacteur à lit fluidisé, d'un réacteur fonctionnant en mode discontinu (batch) ou en continu avec des temps de fonctionnement variables, que de tout autre type de réacteur connu de l'homme du métier pour cette application.
Le procédé selon l'invention peut être appliqué pour le contrôle d'un réacteur dans lequel il est réalisé la fermentation de tout type de substrat fermentescible, notamment de substrats riches en (poly)saccharides, tels que les fractions fermentescibles des sous-produits d'origine agricole, les eaux résiduaires des industries agro-alimentaires, ou encore les fractions fermentescibles des déchets industriels ou ménagers, notamment des déchets solides.
Les conditions opératoires mises en œuvre dans le réacteur sont classiques en elles-mêmes.
Le milieu réactionnel contient ainsi des microorganismes de propriétés adéquates pour la production par fermentation du produit visé, notamment des microorganismes hydrolytiques et le cas échéant des microorganismes acidogènes, préférentiellement bactériens, dans un milieu de culture contenant les nutriments nécessaires à leur survie et à leur fonctionnement pour la fermentation d'un substrat fermentescible.
Préférentiellement, le milieu réactionnel contient une culture bactérienne mixte.
Les bactéries mises en œuvre dans le milieu réactionnel, dont le procédé selon l'invention vise à assurer le contrôle, sont, de manière classique en elle-même, des bactéries aptes à produire de l'hydrogène par fermentation de biomasse, en conditions anaérobies, ne nécessitant pas l'énergie de la lumière pour ce faire. Ces bactéries utilisent des systèmes d'enzymes réalisant l'hydrolyse des polymères constitutifs de la matière organique en monomères, puis le cas échéant l'acidogénèse de ces monomères pour former des produits métaboliques tels que des acides gras volatils et des alcools. Ce faisant, elles produisent du dihydrogène sous forme gazeuse dans le milieu réactionnel. Ces bactéries chimiotrophes peuvent être extrêmement diverses, et aussi bien mésophiles que thermophiles. Elles peuvent être du type anaérobies strictes ou facultatives.
A titre d'exemples, les bactéries mises en œuvre dans le milieu réactionnel du réacteur de fermentation peuvent être choisies parmi les espèces des genres bactériens Clostridium sp., Enterobacter sp., Bacillus sp. en conditions mésophiles, dans des conditions de température comprise entre 20 et 40 °C, ou du genre bactérien Thermoanaerobacter sp. en conditions thermophiles dans des conditions de température comprise entre 50 et 70 °C, ces espèces pouvant être mises en œuvre seules ou en mélange. Le milieu réactionnel contenu dans le réacteur de fermentation est classiquement un milieu aqueux, de type acide ou neutre.
Préférentiellement, le pH du milieu réactionnel est compris entre 5 et
7.
La température du milieu réactionnel est de préférence comprise entre 20 et 40 °C, adaptée aux bactéries mésophiles, ou entre 50 et 70 °C, la température étant alors plus particulièrement adaptée aux bactéries thermophiles.
Le taux de matière sèche contenu dans le réacteur de fermentation peut quant à lui, de manière classique, être inférieur ou égal à 30 %. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière des exemples de mise en œuvre ci-après, fournis à simple titre illustratif et nullement limitatifs de l'invention, avec l'appui des figures 1 à 3, dans lesquelles :
- la figure 1 montre un graphe représentant l'évolution du volume d'hydrogène produit lors d'une réaction de fermentation sombre d'un substrat fermentescible par des bactéries anaérobies (exprimée en ml par gramme de matières volatiles MV présentes dans le milieu réactionnel) en fonction de la conductivité électrique du milieu réactionnel, après introduction dans le milieu réactionnel de différents mélanges d'espèces ioniques à différentes concentrations (mélanges A, B, C, D et E) ;
- la figure 2 montre un graphe représentant l'évolution d'une part du rendement en hydrogène d'une réaction de fermentation sombre d'un substrat fermentescible par des bactéries anaérobies (exprimé en ml par gramme de matières volatiles MV présentes dans le milieu réactionnel), et d'autre part de la diminution du rendement en hydrogène par rapport à un contrôle non traité, en fonction de la conductivité électrique du milieu réactionnel, chaque point représentant la moyenne de trois points du graphe de la figure 1 associés à la même conductivité électrique ;
- et la figure 3 montre un graphe représentant l'évolution d'une part du rendement en métabolites (AGVs) d'une réaction de fermentation sombre d'un substrat fermentescible par des bactéries anaérobies (exprimé en gramme de demande chimique en oxygène DCO par litre de milieu réactionnel), et d'autre part de la diminution du rendement en métabolites par rapport à un contrôle non traité, en fonction de la conductivité électrique du milieu réactionnel, après introduction dans le milieu réactionnel de différents mélanges d'espèces ioniques à différentes concentrations (mélanges A, B, C, D et E) , chaque point correspondant à la moyenne de trois résultats obtenus pour des mélanges différents associés à la même valeur de conductivité électrique.
Matériel et méthodes Préparation du substrat et de l'inoculum
Le substrat est une fraction organique reconstituée de déchets ménagers solides, préparée fraîchement pour présenter la composition indiquée dans le tableau 1 ci-après.
Figure imgf000015_0001
Tableau 1 - Composition du substrat A cet effet, la viande, le riz, les pommes de terre et le marc de café ont été cuits et mélangés avec le yaourt et le pain. Les déchets de jardin, le papier et le carton ont été déchiquetés et tamisés à 1 cm.
La proportion de matières sèches (MS) et la proportion de matières volatiles (MV) du substrat ainsi obtenu sont d'environ 74 % (0,74 gMS/g) et 63 % (0,63 gMV/g), respectivement.
Le substrat a été préparé extemporanément pour chaque expérimentation, sans temps de stockage, afin d'obtenir un substrat identique pour les différentes expériences réalisées.
Un lixiviat riche en microbes a été prélevé de cellules méthanogènes de stockage de déchets domestiques solides. Les espèces bactériennes majoritaires initiales dans ce lixiviat sont des espèces des genres bactériens Clostridium et Bacillus. Le pH initial du lixiviat est mesuré à 7,64, avec un taux de matières sèches et un taux de matières volatiles de 2,05 % et 0,74 %, respectivement. Dans la mesure où ce lixiviat contenait une quantité importante d'ions ammonium (3,00 g/1 d'azote ammoniacal total), un prétraitement a été réalisé pour en éliminer l'azote ammoniacal, par bullage pendant 3 h à pH 9, à une température de 90 °C. L'efficacité d'élimination de l'azote ammoniacal a été de 95 %. Plus précisément, le prétraitement pour éliminer l'azote ammoniacal du lixiviat a été réalisé de la façon suivante.
La communauté microbienne a préalablement été extraite du lixiviat par centrifugation à 8 000 tr/min pendant 30 min afin de séparer la phase solide (bactéries) de la phase liquide. Le pH de la phase liquide a été ajusté à 9, puis la solution a été insérée dans une bouteille et une pompe péristaltique a été placée en entrée afin de produire un bullage à l'air. Un condenseur a été placé en sortie pour éviter l'évaporation de produit autre que l'air et le NH3 éliminé de la solution. La solution a été portée à 90 °C et le bullage maintenu pendant 3 h. Le pH de la solution a été ajusté selon les paramètres fixés lors des expérimentations, puis la communauté microbienne réintroduite dans la phase liquide.
Procédure expérimentale pour la fermentation
Chaque réacteur de fermentation est un réacteur batch de 500 ml, de volume de travail de 400 ml. Chaque expérience est réalisée à 37 °C à l'aide d'un bain-marie régulé par polystat, le pH du milieu réactionnel étant initialement fixé à une valeur de 6 au moyen d'hydroxyde de sodium (10 M).
Les quantités brutes totales de substrat et de lixiviat introduites initialement dans le milieu réactionnel sont de 14,6 g et 136 g, respectivement. Le milieu de culture contient 9,25 g de matières volatiles du substrat inoculé avec le lixiviat riche en microorganismes (0,46 g de matières volatiles), pour atteindre un rapport substrat / biomasse de 20 (sur la base de la matière volatile).
Le taux de matière sèche est de 3 %. Un flux d'azote est introduit dans chaque réacteur avant chaque expérience pendant 5 min pour en éliminer les traces d'oxygène.
Il est ensuite utilisé les mélanges d'espèces ioniques suivants :
Mélange A : NaCI, KH2PO4, LiBr, Kl, (NH4)2SO4, MnCI2.4H2O, MgSO4.7H2O
Mélange B : NaCI, KH2PO4, LiBr, Kl, (NH4)2SO4, LiCI Mélange C : NH4CI
Mélange D : NH4CI + NH4H2PO4 + (NH4)2SO4
Mélange E : CaCI2 + KCI + NaCI
Dans chaque mélange, les différentes espèces ioniques sont présentes en concentrations molaires identiques. L'utilisation d'un mélange de plusieurs ions permet d'observer l'effet de la force ionique globale contenue dans le milieu réactionnel, tout en réduisant l'impact de chaque composé individuel.
Dans chacun des réacteurs, il est additionné l'un des mélanges ci- dessus, dans une concentration en espèces ioniques totale donnée (suivant une gamme de concentrations croissantes comprises entre 0 et 4 mol/l), puis la réaction de fermentation est laissée se produire dans l'obscurité.
Un contrôle est effectué suivant le même protocole expérimental mais sans ajout d'ions dans le milieu réactionnel.
Analyse de la production d'hydrogène La pression et la composition du gaz produit dans le réacteur sont mesurées périodiquement, toutes les 4 h, avec un micro-chromatographe gazeux automatique ^GC R3000, SRA Instrument) selon la méthode décrite dans Cazier et al., 2015, dans Bioresour. Technol. 190, 106-1 13. Toutes les mesures effectuées en ligne sont ensuite récupérées sur un Système d'Information pour l'Expérimentation (SILEX). Ce système permet d'acquérir et de visualiser l'analyse de la composition des gaz ainsi que la pression obtenue dans les réacteurs fonctionnant en mode discontinu (batch). L'hydrogène accumulé dans le réacteur est estimé en utilisant la loi des gaz parfaits et la pression du réacteur, selon l'équation 1 :
Figure imgf000018_0001
(Equation 1 ) où nH2 est le nombre de moles d'hydrogène, VHs le volume d'espace de tête du réacteur (m3), P la pression dans le réacteur (Pa), R la constante universelle des gaz parfaits (J/mol.K), T la température (K) et %H2 la proportion d'hydrogène dans l'espace de tête du réacteur.
Les données de production d'hydrogène sont introduites dans une équation de Gompertz modifiée (Equation 2 ci-dessous) pour déterminer les 3 paramètres suivants : potentiel d'hydrogène, taux de production d'hydrogène maximal, et temps de latence, selon la méthode décrite dans la publication de Chen et al., 2006, dans Int. J. Hydrogen Energy, 31 , 2170-2178. L'équation de Gompertz est ajustée sous le package R grofit suivant une méthode de régression non linéaire.
(Equation 2) où H(t) est le volume d'hydrogène cumulé (ml) au temps t, H est le potentiel d'hydrogène (ml), R est le taux maximal de production d'hydrogène (ml/h/j), λ est le temps de latence, e le nombre d'Euler et t le temps.
Le rendement en hydrogène est déterminé à partir du volume d'hydrogène cumulé et de la quantité de matières volatiles issue du substrat (9,25 gMV) selon l'Equation 3 : H i t)
Rdttë-.. =
fïïMV
(Equation 3)
où RdtH2 est le rendement en hydrogène (mlH2/gMV), H(t) est le volume d'hydrogène cumulé (ml) et mMV est la quantité de matières volatiles dans le milieu (g). La diminution du rendement en hydrogène est calculée et correspond au rapport entre le rendement en hydrogène obtenu lors du contrôle et le rendement en hydrogène observé lors des différentes additions de chacun des mélanges.
Analyse de la production d'acides gras volatils La quantité d'acides gras volatils (AGVs) dans le milieu réactionnel est mesurée au début et en fin de chaque expérience. Chaque expérience dure environ 7 jours.
Au début et à la fin de chaque fermentation, deux prélèvements de 2 mL sont effectués dans le milieu réactionnel, puis les échantillons sont centrifugés à 13 400 rpm pendant 15 min.
Le surnageant stocké à -20 °C permet de réaliser l'analyse des AGVs par chromatographie en phase gazeuse (CPG), ainsi que l'analyse des autres métabolites tels que l'éthanol et le lactate par chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC). Les concentrations en acides gras volatils sont déterminées par chromatographie en phase gazeuse au moyen d'un chromatographe Perkin Clarus® 580 avec une colonne crossbond ® carbowax® Elite-FFAP de 15 m reliée à un détecteur à ionisation de flamme à 280 °C, en utilisant l'azote à 6 ml/min en tant que gaz vecteur, comme décrit dans la publication de Motte et al., 2014 , dans Ind. Crops Prod. 52, 695-701 .
Mesure de la conductivité électrique La conductivité électrique est mesurée sur des échantillons de milieu réactionnel prélevés en début et fin de chaque expérimentation à l'aide d'un conductimètre WTW modèle LF325 A/SET.
Expérience 1 - Analyse de la production d'hydrogène Chacun des mélanges d'espèces ioniques A à E est introduit dans le réacteur de fermentation dans une concentration d'une gamme de concentration comprise entre 0 et 4,0 mol/L
La conductivité électrique et le volume d'hydrogène dans le réacteur sont déterminés, pour chacun des mélanges et des concentrations d'espèces ioniques testés, à la fin de l'expérimentation.
Pour chacun de ces mélanges A à E, il est établi le graphe présenté sur la figure 1 , montrant le volume d'hydrogène dans chaque réacteur (exprimé en ml par g de matières volatiles dans le réacteur) en fonction de la conductivité électrique du milieu réactionnel mesurée. On y observe que, quel que soit le mélange d'espèces ioniques en présence dans le milieu réactionnel, la quantité d'hydrogène produite chute brutalement pour une conductivité électrique d'environ 55 mS/cm.
A partir de ces mesures, il est par ailleurs établi le graphe présenté sur la figure 2, montrant le rendement en hydrogène (exprimé en ml d'hydrogène par g de matières volatiles dans le réacteur) et la diminution de rendement en hydrogène, par rapport au contrôle, en fonction de la conductivité électrique du milieu réactionnel mesurée, chaque point de ce graphe correspondant à la moyenne de trois points du graphe de la figure 1 associés à la même valeur de conductivité électrique. On y observe clairement, entre les valeurs de conductivité électrique de 10,2 et 55,6 mS/cm, un plateau pour ce qui concerne le rendement en hydrogène. Puis, au-dessus de la valeur seuil de 55,6 mS/cm, la production d'hydrogène diminue de 50% en comparaison de la production observée lors du contrôle. De plus, au-dessus de cette valeur seuil, on constate une forte variabilité de la production d'hydrogène. La valeur de l'écart-type, calculée selon l'Equation 4 ci-dessous, est en effet supérieure à la valeur du rendement.
Figure imgf000021_0001
(Equation 4)
où x est la moyenne de l'échantillon et n est la taille de l'échantillon. Expérience 2 - Analyse de la production d'acides gras volatils
Il est calculé le rendement de production d'acides gras volatils (métabolites) lors de la réaction de fermentation, qui correspond à la quantité totale de ces acides accumulés durant l'expérimentation (exprimée en g de demande chimique en oxygène DCO) en fonction de la quantité de substrat ajouté (quantité de matières volatiles), pour chacun des mélanges d'espèces ioniques A à E et chacune des concentrations en espèces ioniques testées.
La diminution du rendement en métabolites est estimée et correspond au rapport entre le rendement en métabolites totaux obtenu pour le contrôle et le rendement en métabolites totaux observé lors des différentes additions de chacun des mélanges d'espèces ioniques.
A partir de ces mesures, il est établi le graphe présenté sur la figure 3, montrant le rendement en métabolites (acides gras volatils) et la diminution de rendement en métabolites, en fonction de la conductivité électrique du milieu réactionnel mesurée. Sur ce graphe, chaque point correspond à la moyenne de trois résultats obtenus pour les différents mélanges d'espèces ioniques testés, ces trois résultats étant associés à la même valeur de conductivité électrique.
On y observe qu'entre les valeurs de conductivité électrique de 10,8 et 46,13 mS/cm, le rendement en métabolites est proche du rendement trouvé pour le contrôle : l'abattement en termes de rendement est inférieur à 30 %, avec une faible variabilité de la production de métabolites. Puis au-dessus de la valeur seuil de 46,13 mS/cm, la production de métabolites diminue brusquement de plus de 30 %, et une forte variabilité du rendement est observée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de contrôle du milieu réactionnel dans un réacteur de fermentation sombre pour la mise en œuvre de la fermentation d'un substrat fermentescible par des microorganismes en conditions anaérobies, pour la production d'un produit choisi parmi l'hydrogène et les acides gras volatils, caractérisé en ce que ledit procédé comprend :
- la mesure de la conductivité électrique dudit milieu réactionnel,
- la comparaison de la valeur de conductivité électrique ainsi mesurée avec une valeur seuil prédéterminée associée audit produit, indicative d'une inhibition de la production dudit produit par les espèces ioniques présentes dans ledit milieu réactionnel,
- et, si la valeur de conductivité électrique mesurée est supérieure à ladite valeur seuil, l'attribution d'un caractère non conforme audit milieu réactionnel.
2. Procédé selon la revendication 1 , selon lequel le produit est le dihydrogène et la valeur seuil prédéterminée associée est égale à 55 mS/cm ±
4 mS/cm.
3. Procédé selon la revendication 1 , selon lequel le produit est un acide gras volatil et la valeur seuil prédéterminée associée est égale à 46 mS/cm ± 3 mS/cm.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, mis en œuvre avant le début de ladite fermentation.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, mis en œuvre au moins une fois par jour pour le contrôle dudit milieu réactionnel.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, selon lequel la mesure de la conductivité électrique dudit milieu réactionnel contenu dans le réacteur est réalisée par mesure de la conductivité électrique d'un effluent obtenu en sortie dudit réacteur lors de la mise en œuvre de ladite fermentation.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant, lorsqu'un caractère non conforme est attribué audit milieu réactionnel contenu dans le réacteur, une étape de modification dudit milieu réactionnel pour y diminuer la concentration en espèces ioniques.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, selon lequel ledit milieu réactionnel est acide ou neutre.
9. Procédé selon la revendication 8, selon lequel le pH dudit milieu réactionnel est compris entre 5 et 7.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, selon lequel ledit milieu réactionnel contient une culture bactérienne mixte.
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