WO2019081252A1 - Acidogenic fermentation process for the production of organic acids having from 2 to at least 5 carbon atoms and corresponding facility - Google Patents

Acidogenic fermentation process for the production of organic acids having from 2 to at least 5 carbon atoms and corresponding facility

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WO2019081252A1
WO2019081252A1 PCT/EP2018/078066 EP2018078066W WO2019081252A1 WO 2019081252 A1 WO2019081252 A1 WO 2019081252A1 EP 2018078066 W EP2018078066 W EP 2018078066W WO 2019081252 A1 WO2019081252 A1 WO 2019081252A1
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WO
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organic acids
carbon atoms
organic
reactor
acidogenic fermentation
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PCT/EP2018/078066
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Maria Das Dores TAVARES GURGO E CIRNE
Sofiane MAZEGHRANE
Sébastien LACROIX
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Veolia Environnement
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Definitions

  • Acidogenic fermentation process for the production of organic acids of 2 to at least 5 carbon atoms and corresponding plant
  • the field of the invention is that of acidogenic fermentation processes.
  • the invention relates to an improved acidogenic fermentation process for the industrial production of chemical platform molecules, especially for the production of organic molecules having from two to at least five carbon atoms.
  • the invention relates to an improved acidogenic fermentation process for the industrial production of carboxylic acids having from two to at least five carbon atoms.
  • the invention also relates to corresponding installations.
  • the acidogenic fermentation allows fermentable organic carbon to convert fermentable organic carbon into different products, these various products notably comprising carboxylic acids, in particular volatile fatty acids (VFAs) and lactic acid, alcohols. , dihydrogen and carbon dioxide.
  • carboxylic acids in particular volatile fatty acids (VFAs) and lactic acid, alcohols. , dihydrogen and carbon dioxide.
  • VFAs volatile fatty acids
  • lactic acid alcohols.
  • dihydrogen and carbon dioxide dihydrogen and carbon dioxide.
  • Acidogenic / acetogenic fermentation can be followed by a methanogenic step in an anaerobic digestion process, thus producing carbon dioxide. carbon and methane.
  • the volatile fatty acids (VFAs) of the carboxylic platform have many advantages: they have a high market value, a high energy density and have a high capacity of storage and transport.
  • AGVs are the organic acids most often sought during acid-proof fermentation because of their various applications. In particular, they can be used as intermediates for methanation or as substrates for the production of biopolymers (PHA).
  • PHA biopolymers
  • the method can be implemented with a low diversity of substrates and requires a step of significant pretreatment of these substrates.
  • the use of a pure strain of bacteria also has a high cost and makes the process particularly tedious to implement, because the process comprises a costly sterilization step and the fermentation must be carried out under axenic conditions.
  • a pure strain of bacteria ensures a very incomplete conversion of substrates to complex compositions.
  • the use of a pure culture of bacteria in an acidogenic process makes it possible to achieve a high selectivity of the products derived from fermentation but in return requires an expensive and tedious implementation of the process.
  • the document WO 2016/012701 describes a process for producing organic acids having 1 to 8 carbon atoms from a fermentable biomass. Extraction of AGVs is implemented to minimize the presence of inhibitory concentration of carboxylic acids. The process generally makes it possible to obtain AGVs at a concentration of between 10 g / l and 20 g / l. This method, however, has several disadvantages.
  • the main fermentation used in this process is carried out by microorganisms from a well-defined ecosystem, eukaryotic or prokaryotic, such as bacteria, fungi, algae or yeasts.
  • the organic acids produced then comprise mainly between 2 to 4 carbon atoms.
  • WO 2007/009085 describes a four-stage reactor.
  • the object of the invention is to propose an improved acidogenic fermentation process which makes it possible to overcome at least certain disadvantages and limitations of the prior art.
  • the object of the invention is in particular to propose an improved process making it possible to achieve both high productivity, high yield and high selectivity of organic acids having from two to at least five carbon atoms, while keeping energy costs and low production.
  • the invention also aims to provide a stable and robust process despite disturbances (pH, inhibition, toxicity, etc.) and / or variations in the quality (composition of organic materials) and / or the amount of the feedstock. fermentable organic carbon.
  • the invention also aims, at least according to some embodiments of the invention, to provide a method comprising an in-situ estimate of the concentration and nature of the organic acids.
  • the present invention relates to a process for the acidogenic fermentation of a fermentable substrate by a microbial consortium in a single-stage reactor, which is intended to provide at least one fluid effluent comprising a mixture of organic acids having from two to at least five atoms of carbon and a gaseous effluent.
  • the method comprises an advanced stage of acidogen fermentation conducted using a control-command system that allows maintenance during the advanced driving step in the single-stage reactor: the volume load material organic, hydraulic residence time (HRT), particulate matter residence time (SRT), temperature and pH, within predetermined ranges of values.
  • the volume load of organic material is maintained at a value between 10 and 80 gDCO / L / day, the hydraulic residence time at a value between 0.5 days and 4 days, the time of residence of the particulate matter at a value between 0.5 days and 7 days, the temperature at a value between 20 ° C and 40 ° C and the pH at a value between 5 and 7.
  • the volume load of organic matter is maintained at a value between 30 and 60 gDCO / L / day, the hydraulic residence time at a value between 1 day and 3 days, the residence time particulate matter between 1 day and 4 days, the temperature between 30 ° C and 37 ° C and the pH between 5.5 and 6.5.
  • the organic acids of the organic acid mixture of the fluid effluent resulting from the process of the present invention preferably comprise from two to five carbon atoms and very preferably from two to six carbon atoms. carbon.
  • This improved acidogenic fermentation process provides controlled production in terms of concentration, composition and productivity of organic acids having from two to at least five carbon atoms using mixed microbial cultures. Controlled production is guaranteed by real-time optimization of the production of organic molecules using the control-command system to influence the operating conditions and the specialization of microbial biomass.
  • Organic acids are organic compounds having acidic properties in aqueous media.
  • Carboxylic acids are a particular subclass of the organic acids preferentially produced by the process according to the invention.
  • the process according to the invention makes it possible in particular to produce volatile fatty acids with the presence or absence of lactic acid.
  • volatile fatty acid also known by the French acronym AGV or the acronym VFA, means an aliphatic chain carboxylic acid having from 2 to 6 carbon atoms.
  • volume load of organic matter or "organic load” or the acronym “OLR” means the mass of substrate characterized by the Chemical Oxygen Demand (COD), introduced per day in a certain volume of reactor. It can be expressed in grams of COD (gDCO) per liter of reactor per day. The determination of the COD can be made according to the NF T90-101 standard.
  • COD Chemical Oxygen Demand
  • hydroaulic residence time or the acronym “HRT” means the time during which the liquid fraction of the substrate (liquid fraction of the feed) remains in the reactor (in contact with the microbial consortium). It represents the ratio between the reactor volume and the substrate feed rate. It is expressed in days.
  • Solid matter residence time or the acronym “SRT” refers to the length of time that particulate matter, including the microbial consortium, is in the reactor. It represents the ratio between the amount of particulate matter in the reactor and the amount of particulate matter drawn off per day. Depending on the configuration of the facility and the nature of the microbial consortium and fermentable substrate, the TRS and HRT values may be equal or decoupled. TRS is also expressed in days.
  • productivity is meant the mass flow rate of organic acids having from two to at least five carbon atoms produced by the process per unit reactor volume. It is usually expressed in g ( AC ides ) / l- / day. In the case where the production of AGVs is targeted in particular, it is expressed in g ( A Gv ) / L / day. According to the embodiment of the invention, the productivity can in particular be expressed for organic acids / AGVs having two to five carbon atoms or organic acids / AGVs having two to six carbon atoms.
  • yield is meant the ratio of the mass concentration of organic acids having from two to at least five carbon atoms produced converted to COD on the mass concentration (COD) of introduced fermentable substrate (gAcid-Dco / gDco ) -
  • COD mass concentration of introduced fermentable substrate
  • the conversion efficiency corresponds to (gAGv-Dco / gDco) -
  • the yield can in particular be expressed for acids organic / VFAs having two to five carbon atoms or organic acids / AGVs having two to six carbon atoms.
  • selectivity is meant the orientation towards the production of specific organic acids having from two to at least five carbon atoms. It is defined by the mass concentration ratio (g / g) of specific organic acids produced on the mass concentration of organic acids having from two to at least five carbon atoms produced.
  • the selectivity can be expressed as a function of a single specific organic acid or of several specific organic acids.
  • the selectivity may especially be expressed as a function of specific organic acids being organic acids / AGVs having from four to five carbon atoms or organic acids / AGVs having from four to six carbon atoms.
  • the fermentable substrate can generally include any type of organic ways.
  • the fermentable substrate is advantageously constituted by a or several effluents to be valorized and may, depending on the needs, be diluted or supplemented by nutrients necessary for the growth and maintenance of the microbial consortium, in particular nitrogen or phosphorus sources or any other nutrient identified as being present in limiting proportions.
  • the fermentable substrate is an effluent from the food industry, such as the dairy industry, sugar, starch and wheat.
  • the microbial consortium is a biomass operating under anaerobic and / or anoxic conditions.
  • Biomass can come from a municipal digester, an industrial digester processing agro-food effluents or granular sludge from anaerobic reactor or rumens.
  • the single-stage reactor may be any type of reactor usually used in anaerobic / anoxic treatment.
  • the method according to the invention is preferably implemented in continuous or semi-continuous mode in order to optimize productivity.
  • the type of reactor is suitably selected depending on the type of fermentable substrate to be converted.
  • the single-stage reactor may notably be chosen from the following list: a perfectly stirred reactor ("continuous stirred tank reactor” or “CSTR”), an upstream anaerobic sludge blanket reactor ("upflow anaerobic sludge blanket reactor” or “UASB”), an expanded granular sludge blanket (EGSB) anaerobic reactor, an anaerobic membrane reactor (“AnMBR”) or a batch sequential reactor (“ sequencing batch reactor "or” SBR ").
  • CSTR continuous stirred tank reactor
  • UASB upstream anaerobic sludge blanket reactor
  • UASB expanded granular sludge blanket
  • AnMBR anaerobic membrane reactor
  • SBR batch sequential reactor
  • the advanced driving step comprises an initial phase of adaptation of the microbial consortium.
  • This initial adaptation phase can last from a few hours to a few days, in particular from 0.5 days to 3 days. It consists of a batch fermentation of the substrate in contact with the inoculum. Following this initial acclimation step, the fermentation continues in semi-continuous or continuous mode with the application of an organic load progressively increased from a low initial value to a value higher target.
  • the initial organic charge can in particular have a volume load of organic matter of between 5 and 20 gDCO / L / day and tend towards a target value of volume load of organic matter of between 20 and 80 gDCO / L / day depending on the substrate used. and desired organic acids.
  • the advanced driving stage is implemented through a control system.
  • the control system comprises a set of sensors for the on-line measurement of the environmental parameters of fermentation and a control-command algorithm of the process which makes it possible to regulate in real time the reference values of the volume load of organic matter, of the time. hydraulic residence time, residence time of particulate matter, temperature and pH.
  • the control of the pH in the single-stage reactor makes it possible in particular to avoid the inhibition of the production organic acids and to select the molecules to be produced;
  • the temperature control ensures that the fermentation is maintained at a mesophilic regime (20 - 40 ° C);
  • the mass flow rates of feed (s) and emptying (s) of the single-stage reactor in particular, the mass feed rate of fermentable substrate makes it possible to estimate and / or measure the concentration and the flow of organic matter entering the fermenter.
  • the adjustment of the pH value can be controlled by adding an acid solution (for example HCl) and / or base (for example NaOH) and / or by controlling the level of alkalinity by addition of calcium carbonate. (CaCO 3 ) or sodium carbonate (NaHCO 3 ) for example.
  • the temperature adjustment can be controlled by heating means or cooling means.
  • the adjustment of the hydraulic residence time and / or the residence time of the particulate matter and / or the organic material volume load is controlled by the mass flow and / or volume flow (s) and discharge (s) of the single-stage reactor.
  • Other measured parameters can be integrated into the control system in order to fine-tune the values of the organic matter load, the hydraulic residence time, the residence time of the particulate matter, the temperature and pH, with the ultimate aim of better controlling the development of microbial biomass and the nature of the organic acids produced.
  • These other parameters can in particular be:
  • this parameter may be correlated with the activity of the ions in the single-stage reactor;
  • the flow and composition of the gaseous effluent in particular C0 2 , H 2 , CH 4 : a strong presence of methane can be correlated with an activation of archaea methanogens, which is not desired in the present invention; the presence of dihydrogen is also a good indicator of the progress of the fermentation stage and the nature of the organic acids produced (in particular the butyric acid / acetic acid ratio and the lactic acid concentration);
  • the partial pressure of C0 2 dissolves the measurement of the partial pressure of dissolved carbon dioxide can serve as an indicator for the control of the alkalinity in the fermenter;
  • the oxidation-reduction potential is a good indicator of the anaerobiosis and the presence of oxygen in the single-stage reactor (microaeration conditions); it is also a good indicator of the quality of the organic acids produced; and,
  • nitrogen and / or carbon dioxide can be added in a controlled manner.
  • the inventors of the present invention have also developed a method for estimating organic acid composition from a set of measured parameters. More specifically, preferably, in the process according to the invention, the advanced step of conducting the acidogenic fermentation is modulated according to a continuous and real-time estimation of the concentration of organic acids in the single-stage reactor. from a set of measured parameters.
  • the continuous estimation of the concentration of organic acids is carried out by partial least squares regression from on-line measurements of: the electrical conductivity, the partial pressure of dihydrogen and the flow rate of the gaseous effluent.
  • the control-command system comprises at least one fuzzy logic algorithm.
  • Fuzzy reasoning makes it possible to better understand natural phenomena that are imprecise and difficult to model by relying on the definition of rules and functions of belonging to so-called "fuzzy sets". It is for its ease of implementation and robustness that the fuzzy logic based regulation can be adopted for the control of the mixed culture anaerobic fermentation process developed in the present invention. Indeed, this method makes it possible to obtain a control law, often effective, without having to resort to important theoretical developments. It also presents the interest of taking into account the experiences acquired by the users and operators of the process to be controlled.
  • the structure of a fuzzy controller is classically divided into three parts: fuzzification, the decision-making or inference mechanism, and defuzzification.
  • Fuzzification is the stage that transforms a size measured on the process into a fuzzy set.
  • the decision mechanism makes it possible to calculate the fuzzy sets associated with the command.
  • Defuzzification is the step that transforms the fuzzy set, obtained by the previous calculation, into a control quantity to be applied to the process.
  • the organic acids of the mixture of organic acids have from two to six carbon atoms and the concentration of these organic acids having from two to six carbon atoms in the fluid effluent is strictly greater than 15 g / L.
  • the mass ratio of volatile fatty acids having from four to six carbon atoms relative to volatile fatty acids having from two to six carbon atoms is greater than or equal to 50% (weight, g / g).
  • concentration values of organic acids having from two to six carbon atoms and a mass ratio of volatile fatty acids having from four to six carbon atoms relative to fatty acids having from two to six carbon atoms can in particular be obtained by means of a method incorporating the method for estimating the organic acid composition from a set of measured parameters and the use of a fuzzy logic algorithm for the control system.
  • the process according to the present invention makes it possible to obtain an effluent having a high concentration of organic acids comprising organic acids with a high added value.
  • the productivity of the process is advantageously greater than or equal to 7 g / L / day.
  • the conversion efficiency of the process is advantageously greater than or equal to 0.3.
  • the fermentable substrate and the microbial consortium present in the fluid effluent are recirculated, at least in part, in the single-stage reactor after solid / liquid separation of the organic acids having from two to at least five carbon atoms. of the liquid effluent.
  • the solid / liquid separation may in particular be implemented by a membrane separator, a centrifuge or by another decanting means such as that included in the single-stage reactor (SBR, UASB, EGSB ).
  • This embodiment notably allows a decoupling between the HRT and the SRT.
  • the non-recirculated liquid fraction in the single-stage reactor can be sent to a step of recovery and purification of organic acids.
  • the present invention also relates to an installation comprising a single-stage reactor and a control-command system, comprising a set of sensors and at least one algorithm.
  • the installation makes it possible in particular to implement the method described above.
  • Figure 1 schematically shows an installation comprising a single-stage reactor CSTR for the implementation of the present invention.
  • FIGS. 2A and 2B show the composition of organic acids (volatile fatty acids and lactate), and ethanol for two tests carried out, with a variable organic charge (COD) and a regulation of the pH, the temperature and the hydraulic residence time .
  • organic acids volatile fatty acids and lactate
  • COD variable organic charge
  • Figure 3A is an estimate of the production of organic acids (volatile fatty acids and lactate) in a single-stage RI fermentation reactor that has evolved over time under different organic loading conditions (changes in feed concentration). .
  • the variation of the conditions of the organic charge is shown in FIG. 3B.
  • Figure 4A is an estimate of the production of organic acids (AGV or VFA + lactate) on a single-stage fermentation reactor R2.
  • This single-stage reactor has evolved over time under different pH conditions, organic load, type of fermentation deposit (substrates rich in sugars and / or proteins) and the addition or not of an external gas (H 2 / C0 2 ).
  • the variation of the conditions of the organic charge is shown in FIG. 4B.
  • FIG. 5A is an estimate of the production of organic acids (AGV or VFA + lactate) on a single-stage R4 fermentation reactor.
  • This single-stage reactor has evolved over time under different pH, organic load and reagent conditions used for pH control (NaOH, Na 2 CO 3 , CaCO 3 and NH 4 HCO 3 ).
  • the variation of the organic loading conditions is shown in FIG. 5B.
  • FIG. 6A represents the evolution of the electrical conductivity (measurement-setpoint) and of the feed rate
  • FIG. 6B represents the evolution of the flow rate in dihydrogen (measurement-setpoint) and of the feed rate
  • the Figure 6C shows the evolution of the concentration of molasses in COD in the diet
  • Figure 6D the production of total AGVs, acetate (AA), butyrate (AB) lactate and ethanol.
  • an installation 1 in which the process according to the invention can be implemented comprises a mixing / dilution unit 20 in which a fermentable substrate 200, to be upgraded, is mixed with water 210.
  • the fermentable substrate 200 may especially be in the form of a mixture of a main substrate with one or more secondary substrates.
  • the water 210 used in the mixing / dilution unit 20 may be water resulting from a process producing at a certain stage of the water or coming from the network.
  • the mixture 220 thus obtained is then sent into a feed tank 30, and is then introduced into a single-stage reactor 10 at the fluid feed point 11 via a low pipe 32. homogenization of the substrate in the feed tank 30 by recirculation of the fluid in this same tank feeding 30 (duck).
  • the feed tank 30 could be mixed and homogonized by means of a mechanical stirrer.
  • the single-stage reactor 10 is a perfectly stirred tank reactor (CSTR). It comprises a stirring means 9. It also comprises a fluid feed point 11, a feed point for gas 12, a fluid discharge point 13 and a gas discharge point 14. It comprises also a feed point 60 in acid 65 and a feed point 70 in base 75. It also comprises a purge for fluid 15 and a purge for gas 16. A bacterial inoculum is introduced into the single-stage reactor 10 at startup. of the process.
  • CSTR perfectly stirred tank reactor
  • the single-stage reactor 10 is supplied continuously or semi-continuously by the mixture 220 at the fluid feed point 11.
  • Gas (C0 2 / N 2 ) can be introduced at the feed point for gas 12 to meet anaerobic / anoxic fermentation conditions.
  • the pH and alkalinity can be adjusted during fermentation by addition of 65 (HCl) acid and / or 75 bases (NaOH and or CaCO 3 and / or NaHCO 3 ).
  • the fluid effluent 300 is recovered continuously or semi-continuously at the fluid discharge point 13 and is then separated by a solids separation unit 40 into a first phase 310 comprising biomass and a residual organic charge and in a second phase 320 comprising organic acids consisting of two to six carbon atoms.
  • These two phases 310, 320 may be recirculated, at least in part, in the single-stage reactor 10 at recirculation points 18, 19.
  • the recirculation of the second phase 320 is used only in case of malfunctioning of the extraction and / or the recovery of organic acids.
  • the installation 1 also comprises a control system 100 of the single-stage reactor 10 and a control system 110 of the feed tank 30.
  • the control system 100 regulates the hydraulic residence time, the residence time in particulate matter, the temperature and the pH. he can also be used to regulate the stirring rate in the single-stage reactor 10, the alkalinity and the flow rates of incoming and outgoing gas.
  • the control-command system 110 makes it possible to regulate the volume load of organic matter as well as the level in the feed tank 30. It also makes it possible to control the dilution and the mixture of the substrates to be fermented.
  • the control-command systems 100, 110 comprise a set of sensors distributed over the entire installation 1 and in particular:
  • Installation 1 also includes a set of pumps and valves (shown but not numbered in Figure 1).
  • the different fermentable substrates tested were:
  • Substrate 1 very high in sugars (> 60% of total COD); • Substrate 2: high in protein (> 50% of total COD);
  • Substrate 3 mixed composition: sugars + proteins
  • Substrate 4 mixed composition: sugars + proteins
  • Substrate 5 mixed composition: Mixture substrates 1 and 3
  • the resources used were diluted in order to impose the specific operating conditions concerned.
  • the degree of dilution varies according to the initial concentration of the available resource (COD).
  • COD available resource
  • Figure 2A shows the concentration of AGVs, lactic acid and ethanol as a function of the organic charge applied in the CSTR reactor.
  • the load was increased at startup of the fermenter (between 0 and 35 days) gradually to reach 40 g COD / L / day in order to stabilize the production of AGVs and acclimate the biomass. Between 35 days and 366 days, once adapted biomass, the applied load was varied from 30 to 90 g COD / l / day r in order to investigate the impact of this parameter on the fermentation performance of the substrate 1.
  • the results of these tests show that It has been possible to achieve AGV concentrations above 35 gAGV / L in a single-stage reactor, with a C4-C6 composition> 50% (mass) and a productivity close to 20 gAGV / L / d, thanks to the combined application of the specific operating conditions.
  • Figure 2B illustrates the time evolution of the production of AGVs, lactic acid and ethanol on a fermentation test of the substrate 1, for a progressive increase of the organic load (by step of 10gDCO / L / day) and in the presence of pH disturbances (pH less than 5).
  • Figure 3A illustrates the result of an estimation of the organic acid concentration using a Partial Least Square Regression (PLSR) regression model and conductivity, hydrogen flow rate and of hydrogen concentration measured on an RI reactor operating in CSTR mode at an organic load (OLR) variable from 10 to 80 g COD / L / d ( Figure 3B), a pH controlled around 6, a temperature of 30 ° C and a hydraulic residence time of 2 days.
  • OLR organic load
  • FIGS. 4A and 5A illustrate the results of this estimation for variable OLR loads ( Figures 4B and 5B). These fermentors were operated continuously for almost a year in mixed culture and under different operating conditions. It can clearly be seen from FIGS. 4A and 5A the ability of the PLSR model and simple measurements of electrical conductivity, hydrogen flow rate and hydrogen concentration in the gas phase to correctly reproduce the impact: Of a variation of the alkalinity,
  • the model underestimates the high concentrations of organic acids that are mainly related to high lactic acid production (between 50 to 74 g / 1).
  • the addition of information on the sodium flow rate used for the pH control, the evolution of the redox potential and the hydraulic residence time is envisaged to improve the prediction of this model on certain operating phases.
  • N ° validation controller measures command
  • Control-command strategy No. 1 is explained in detail below. It has been tested to evaluate its capacity to control in closed loop the flow of substrate 1 feeding an infinitely mixed fermentation reactor according to:
  • the high selectivity for butyric acid is related to the fuzzy rules put in place in the regulator's reasoning that are based on thresholds of electrical conductivity, hydrogen concentration and biogas flow. Indeed, the value of these parameters can directly inform the operator on the quality of the AGVs and a possible production of lactic acid.

Abstract

A process, and corresponding facility, for acidogenic fermentation of a fermentable substrate by a microbial consortium in a single-stage reactor, which is intended to provide at least one fluid effluent comprising a mixture of organic acids having from two to at least five carbon atoms and a gaseous effluent. The process comprises a step of advanced control of the acidogenic fermentation carried out, by virtue of a control-order system which makes it possible to maintain throughout the advanced control step in the reactor: the volumetric loading of organic matter, the hydraulic residence time, the residence time of the particulate matter, the temperature and the pH, in predetermined value ranges.

Description

Procédé de fermentation acidogène pour la production d'acides organiques de 2 à au moins 5 atomes de carbone et installation correspondante  Acidogenic fermentation process for the production of organic acids of 2 to at least 5 carbon atoms and corresponding plant
1. Domaine de l'invention 1. Field of the invention
Le domaine de l'invention est celui des procédés de fermentation acidogène.  The field of the invention is that of acidogenic fermentation processes.
Plus précisément l'invention concerne un procédé de fermentation acidogène amélioré pour la production industrielle de molécules chimiques plateformes, notamment pour la production de molécules organiques présentant de deux à au moins cinq atomes de carbone.  More specifically, the invention relates to an improved acidogenic fermentation process for the industrial production of chemical platform molecules, especially for the production of organic molecules having from two to at least five carbon atoms.
En particulier, l'invention concerne un procédé de fermentation acidogène amélioré pour la production industrielle d'acides carboxyliques présentant de deux à au moins cinq atomes de carbone.  In particular, the invention relates to an improved acidogenic fermentation process for the industrial production of carboxylic acids having from two to at least five carbon atoms.
L'invention concerne également des installations correspondantes. 2. Art antérieur  The invention also relates to corresponding installations. 2. Prior Art
La prise de conscience de la disponibilité limitée des ressources pétrolières ravive l'intérêt de la biomasse comme ressource pour la production de molécules d'intérêt industriel et énergétique, ainsi que le recours à la biotechnologie industrielle pour assurer la conversion de cette matière première en produits d'intérêt.  The awareness of the limited availability of petroleum resources is reviving the interest of biomass as a resource for the production of molecules of industrial and energy interest, as well as the use of industrial biotechnology to ensure the conversion of this raw material into products. interest.
Parmi les biotechnologies industrielles, la fermentation acidogène permet la conversion par des bactéries fermentaires de carbone organique fermentescible en différents produits, ces différents produits comprenant notamment des acides carboxyliques, en particulier des acides gras volatils (AGVs) et de l'acide lactique, des alcools, du dihydrogène et du dioxyde de carbone. L'obtention d'acides carboxyliques, et par extension des autres produits de la fermentation acidogène, est aussi connue sous le nom de « plateforme carboxylique » (cf. Adgler et al. (2011) ; « Waste to bioproduct conversion with undefined cultures : the carboxylate platform »).  Among the industrial biotechnologies, the acidogenic fermentation allows fermentable organic carbon to convert fermentable organic carbon into different products, these various products notably comprising carboxylic acids, in particular volatile fatty acids (VFAs) and lactic acid, alcohols. , dihydrogen and carbon dioxide. The production of carboxylic acids, and by extension the other products of acidogenic fermentation, is also known as the "carboxylic platform" (see Adgler et al., 2011), "Waste to bioproduct conversion with undefined cultures: the carboxylate platform ").
La fermentation acidogène/acétogène peut être suivie d'une étape méthanogène dans un procédé de méthanisation, produisant ainsi du dioxyde de carbone et du méthane. Comparés aux produits gazeux issus de la fermentation acidogène (CH4, H2), les acides gras volatils (AGVs) de la plateforme carboxylique présentent de nombreux avantages : ils ont une haute valeur marchande, une densité énergétique élevée et présentent une haute capacité de stockage et de transport. Les AGVs sont les acides organiques les plus souvent recherchés lors d'une fermentation acidogène en raison de leurs diverses applications. En particulier, ils peuvent être utilisés comme intermédiaires de la méthanisation ou comme substrats pour la production de biopolymères (PHA). Par rapport à d'autres molécules tels que l'acide succinique, le butanol et l'acétone, qui sont produits en utilisant des cultures bactériennes pures, leurs conditions de production sont généralement moins exigeantes et onéreuses. Acidogenic / acetogenic fermentation can be followed by a methanogenic step in an anaerobic digestion process, thus producing carbon dioxide. carbon and methane. Compared to the gaseous products resulting from the acidogenic fermentation (CH 4 , H 2 ), the volatile fatty acids (VFAs) of the carboxylic platform have many advantages: they have a high market value, a high energy density and have a high capacity of storage and transport. AGVs are the organic acids most often sought during acid-proof fermentation because of their various applications. In particular, they can be used as intermediates for methanation or as substrates for the production of biopolymers (PHA). Compared to other molecules such as succinic acid, butanol and acetone, which are produced using pure bacterial cultures, their production conditions are generally less demanding and expensive.
Il a été décrit dans l'art antérieur, notamment dans le document US 2015/0191754, un procédé de fermentation acidogène utilisant une souche pure de bactéries avec un mélange de boues et de déchets de cuisine. Ce procédé nécessite deux étapes distinctes : une première étape de pré-fermentation dans un réacteur pour produire des précurseurs d'acide propionique, l'alcalinité étant contrôlée lors de cette étape via l'ajout d'hydroxyde de calcium. Une seconde étape, dans laquelle la décharge du réacteur est centrifugée, stérilisée, puis envoyée dans une cuve de fermentation acidogène dans laquelle est inoculée une culture de Propionibacterium. Bien que ce procédé permette d'obtenir une concentration raisonnable en acide propionique, comprise entre 9,5 et 16,8 gDCO/L, dans le jus de fermentation final, il présente néanmoins plusieurs désavantages. En effet, le procédé ne peut être mis en œuvre qu'avec une faible diversité de substrats et nécessite une étape de prétraitement importante de ces substrats. L'utilisation d'une souche pure de bactéries a également un coût de revient élevé et rend le procédé particulièrement fastidieux à mettre en œuvre, du fait que le procédé comprend une étape coûteuse de stérilisation et que la fermentation doit être réalisée en conditions axéniques. Enfin, une souche pure de bactéries assure une conversion très incomplète des substrats aux compositions complexes. Pour résumer, l'utilisation d'une culture pure de bactéries dans un procédé acidogène permet d'atteindre une forte sélectivité des produits issus de la fermentation mais en contrepartie nécessite une mise en œuvre coûteuse et fastidieuse du procédé. It has been described in the prior art, in particular in the document US 2015/0191754, an acidogenic fermentation process using a pure strain of bacteria with a mixture of sludge and kitchen waste. This process requires two distinct steps: a first step of pre-fermentation in a reactor to produce propionic acid precursors, the alkalinity being controlled during this step via the addition of calcium hydroxide. A second step, in which the reactor discharge is centrifuged, sterilized, and then sent to an acidogenic fermentation tank in which a culture of Propionibacterium is inoculated. Although this method makes it possible to obtain a reasonable concentration of propionic acid, between 9.5 and 16.8 gDCO / L, in the final fermentation juice, it nevertheless has several disadvantages. Indeed, the method can be implemented with a low diversity of substrates and requires a step of significant pretreatment of these substrates. The use of a pure strain of bacteria also has a high cost and makes the process particularly tedious to implement, because the process comprises a costly sterilization step and the fermentation must be carried out under axenic conditions. Finally, a pure strain of bacteria ensures a very incomplete conversion of substrates to complex compositions. To summarize, the use of a pure culture of bacteria in an acidogenic process makes it possible to achieve a high selectivity of the products derived from fermentation but in return requires an expensive and tedious implementation of the process.
Une alternative à l'utilisation d'une souche pure de bactéries est l'utilisation de cultures microbiennes mixtes (consortium microbien). Cependant, l'exploitation industrielle de l'acidogenèse par des cultures mixtes de bactéries soulève des défis importants tant au niveau de la fermentation, et notamment de la maîtrise du spectre de produits formés, que de la séparation et de la récupération de ces produits. Il est par exemple connu de : Bengtsson et al. (2008) ; « Acidogenic fermentation of industrial wastewater : effects of chemostat rétention time and pH on volatile acids productions », un procédé de fermentation acidogène utilisant une culture mixte de bactéries avec des effluents de papeterie. Des expériences ont montré qu'à une température de 37°C, une concentration maximale en acides gras volatils de 5 à 6 gDCO/L pouvait être obtenue. Cette valeur maximale de concentration est relativement faible et peut en partie être expliquée par le phénomène d'inhibition (toxicité par produit) induit par certains acides qui, à forte concentration, bloquent le processus réactionnel de fermentation acidogène. De plus, Bengtsson et al. ne décrit pas de moyens pour une production contrôlée et un ciblage du spectre en acides gras volatils issus du procédé. Un point clé du développement de la plateforme carboxylique à partir de fermentation est de mettre au point des techniques permettant d'atteindre des concentrations élevées en acides carboxyliques, et plus particulièrement en acides gras volatils, lors de la fermentation acidogène car leur concentration impacte fortement le coût de l'étape de récupération des produits. La limitation de production par phénomène d'inhibition des acides carboxyliques (AGVs, lactate, etc) peut être levée en utilisant des systèmes in-situ d'extraction spécifiques. Les principales recherches ont été menées à ce jour sur des cultures pures de production d'acide lactique et d'acide succinique (cf. Arslan et al. (2016) ; « Sélective short chain carboxylates production: a review on control mechanisms to direct mixed culture fermentations »). Il est par exemple possible de considérer l'extraction contrôlée des acides gras volatils jusqu'à des niveaux non inhibiteurs en appliquant les principes décrits dans la demande de brevet WO 2011/055092, déposée par la Déposante. Cependant, l'efficacité de ce procédé n'a pas été démontrée sur des procédés de fermentation produisant des concentrations élevées d'acides organiques. An alternative to using a pure strain of bacteria is the use of mixed microbial cultures (microbial consortium). However, the industrial exploitation of acidogenesis by mixed cultures of bacteria raises important challenges both in terms of fermentation, and in particular the control of the spectrum of products formed, than the separation and recovery of these products. It is for example known from: Bengtsson et al. (2008); "Acidogenic fermentation of industrial wastewater: effects of chemostat retention time and pH on volatile acids productions", an acidogenic fermentation process using a mixed culture of bacteria with paper mill effluents. Experiments have shown that at a temperature of 37 ° C, a maximum concentration of volatile fatty acids of 5 to 6 gDCO / L could be obtained. This maximum concentration value is relatively low and can partly be explained by the phenomenon of inhibition (product toxicity) induced by certain acids which, at high concentration, block the reaction process of acidogenic fermentation. In addition, Bengtsson et al. does not describe means for controlled production and targeting of the volatile fatty acid spectrum from the process. A key point in the development of the carboxylic platform from fermentation is to develop techniques to reach high concentrations of carboxylic acids, and more particularly volatile fatty acids, during the acidogenic fermentation because their concentration strongly impacts the cost of product recovery step. The limitation of production by inhibition phenomenon of carboxylic acids (AGVs, lactate, etc.) can be removed by using specific in-situ extraction systems. The main research has been carried out to date on pure cultures of lactic acid and succinic acid production (see Arslan et al (2016): Selective short chain carboxylates production: a review on control mechanisms to direct mixed fermentations culture "). For example, it is possible to consider controlled extraction of volatile fatty acids to non-inhibitory levels by applying the principles described in the patent application WO 2011/055092, filed by the Applicant. However, the effectiveness of this method has not been demonstrated on fermentation processes producing high concentrations of organic acids.
Le document WO 2016/012701 décrit un procédé de production d'acides organiques de 1 à 8 atomes de carbone à partir d'une biomasse fermentescible. Une extraction des AGVs est mise en œuvre pour minimiser la présence de concentration inhibitoire en acides carboxyliques. Le procédé permet généralement d'obtenir des AGVs à une concentration comprise entre 10 g/L et 20 g/L. Ce procédé présente cependant plusieurs désavantages. Outre la nécessité d'extraire les acides organiques pour éviter les effets d'inhibition par accumulation, la fermentation principale utilisée dans ce procédé est mise en œuvre par des microorganismes issus d'un écosystème bien défini, eucaryotes ou procaryotes, tels que des bactéries, des champignons, des algues ou des levures. Les acides organiques produits comprennent alors principalement entre 2 à 4 atomes de carbone. Pour obtenir des acides organiques de chaîne plus longue, notamment des acides organiques comprenant 6 atomes de carbone, une fermentation secondaire est nécessaire (élongation de chaîne). Ce procédé peut nécessiter la mise en place de plusieurs réacteurs disposés en série. La mesure en continue de la concentration des acides organiques est un point clé pour garantir les performances de la plateforme carboxylique. Or cette mesure en continue reste un défi à ce jour du fait des capteurs, qui sont le maillon faible de la chaîne de contrôle en temps réel du processus de fermentation et de production des acides organiques. Ce constat est connu depuis trois décennies mais n'a jamais fait l'objet de développements à l'échelle industrielle. La concentration et la répartition des acides organiques, variables clés pour piloter les performances du système ne peuvent être mesurées qu'à l'aide d'équipements, dont l'utilisation industrielle est au stade de la recherche : titration automatisée, chromatographie en ligne, spectrométrie, etc. Une autre faiblesse notable des travaux antérieurs est le manque de coordination entre différents indicateurs simples (capteurs de pH, potentiel d'oxydation-réduction, composition en biogaz, etc.) pour traduire les performances du processus de production d'acides organiques. The document WO 2016/012701 describes a process for producing organic acids having 1 to 8 carbon atoms from a fermentable biomass. Extraction of AGVs is implemented to minimize the presence of inhibitory concentration of carboxylic acids. The process generally makes it possible to obtain AGVs at a concentration of between 10 g / l and 20 g / l. This method, however, has several disadvantages. In addition to the need to extract the organic acids to avoid the effects of inhibition by accumulation, the main fermentation used in this process is carried out by microorganisms from a well-defined ecosystem, eukaryotic or prokaryotic, such as bacteria, fungi, algae or yeasts. The organic acids produced then comprise mainly between 2 to 4 carbon atoms. To obtain organic acids of longer chain, including organic acids comprising 6 carbon atoms, a secondary fermentation is necessary (chain elongation). This process may require the establishment of several reactors arranged in series. The continuous measurement of the concentration of organic acids is a key point to guarantee the performance of the carboxylic platform. However, this continuous measurement remains a challenge to date because of the sensors, which are the weak link in the real-time control chain of the fermentation and production process of organic acids. This observation has been known for three decades but has never been the subject of developments on an industrial scale. The concentration and distribution of organic acids, key variables to drive system performance can only be measured using equipment, whose industrial use is at the research stage: automated titration, online chromatography, spectrometry, etc. Another notable weakness of previous work is the lack of coordination between different simple indicators (pH sensors, potential oxidation-reduction, biogas composition, etc.) to translate the performance of the organic acid production process.
Par ailleurs, Il existe très peu ou pas du tout de travaux s'intéressant au contrôle en temps réel et à l'optimisation de la production des acides organiques. En effet, la plupart des contrôleurs ont été développés pour minimiser la production d'acides organiques et éviter l'acidification d'un réacteur de digestion anaérobie. En régulant (limitant) la production en AGVs, il est alors possible de maintenir des conditions environnementales propices à la croissance des archaea méthanogènes. Ces objectifs ont notamment été décrits dans le brevet US 6,551,510 Bl. Cependant, ils sont en contradiction avec les objectifs de la demande de brevet en cours. Moreover, there is little or no work focusing on real-time control and optimization of organic acid production. Indeed, most controllers have been developed to minimize the production of organic acids and to avoid acidification of an anaerobic digestion reactor. By regulating (limiting) the production of AGVs, it is then possible to maintain environmental conditions conducive to the growth of methanogenic archaea. These objectives have been described in US Pat. No. 6,551,510 B1. However, they are in contradiction with the objectives of the current patent application.
Enfin, des procédés tels que celui décrit dans WO 2007/009085 permettent d'obtenir des concentrations élevées d'AGVs mais les procédés et installations correspondantes sont coûteux et complexes à mettre en œuvre. En effet, WO 2007/009085 décrit un réacteur à quatre étages. Finally, processes such as that described in WO 2007/009085 make it possible to obtain high concentrations of AGVs, but the corresponding processes and installations are expensive and complex to implement. Indeed, WO 2007/009085 describes a four-stage reactor.
3. Objectifs de l'invention 3. Objectives of the invention
L'invention a pour objectif de proposer un procédé amélioré de fermentation acidogène qui permette de pallier au moins certains inconvénients et limites de l'art antérieur.  The object of the invention is to propose an improved acidogenic fermentation process which makes it possible to overcome at least certain disadvantages and limitations of the prior art.
L'invention a notamment comme objectif de proposer un procédé amélioré permettant d'atteindre à la fois une productivité élevée, un rendement élevé et une sélectivité importante des acides organiques présentant de deux à au moins cinq atomes de carbone, tout en gardant des coûts énergétiques et de production faibles.  The object of the invention is in particular to propose an improved process making it possible to achieve both high productivity, high yield and high selectivity of organic acids having from two to at least five carbon atoms, while keeping energy costs and low production.
L'invention a également comme objectif de proposer un procédé stable et robuste malgré des perturbations (pH, inhibition, toxicité, etc.) et/ou des variations de la qualité (composition en matières organiques) et/ou la quantité de la charge en carbone organique fermentescible. L'invention a également comme objectif, au moins selon certains modes de réalisation de l'invention, de fournir un procédé comprenant une estimation in-situ de la concentration et nature des acides organiques. The invention also aims to provide a stable and robust process despite disturbances (pH, inhibition, toxicity, etc.) and / or variations in the quality (composition of organic materials) and / or the amount of the feedstock. fermentable organic carbon. The invention also aims, at least according to some embodiments of the invention, to provide a method comprising an in-situ estimate of the concentration and nature of the organic acids.
4. Exposé de l'invention 4. Presentation of the invention
La présente invention concerne un procédé de fermentation acidogène d'un substrat fermentescible par un consortium microbien dans un réacteur mono-étagé, qui est destiné à fournir au moins un effluent fluide comprenant un mélange d'acides organiques présentant de deux à au moins cinq atomes de carbone et un effluent gazeux. Le procédé comprend une étape de conduite avancée de la fermentation acidogène mise en œuvre grâce à un système de contrôle-commande qui permet le maintien tout au cours de l'étape de conduite avancée dans le réacteur mono-étagé: de la charge volumique en matière organique, du temps de séjour hydraulique (HRT), du temps de séjour des matières particulaires (SRT), de la température et du pH, dans des gammes de valeurs prédéterminées.  The present invention relates to a process for the acidogenic fermentation of a fermentable substrate by a microbial consortium in a single-stage reactor, which is intended to provide at least one fluid effluent comprising a mixture of organic acids having from two to at least five atoms of carbon and a gaseous effluent. The method comprises an advanced stage of acidogen fermentation conducted using a control-command system that allows maintenance during the advanced driving step in the single-stage reactor: the volume load material organic, hydraulic residence time (HRT), particulate matter residence time (SRT), temperature and pH, within predetermined ranges of values.
Selon des gammes larges de valeurs prédéterminées, la charge volumique en matière organique est maintenue à une valeur comprise entre 10 et 80 gDCO/L/jour, le temps de séjour hydraulique à une valeur comprise entre 0,5 jour et 4 jours, le temps de séjour de la matière particulaire à une valeur comprise entre 0,5 jour et 7 jours, la température à une valeur comprise entre 20°C et 40 °C et le pH à une valeur comprise entre 5 et 7.  According to wide ranges of predetermined values, the volume load of organic material is maintained at a value between 10 and 80 gDCO / L / day, the hydraulic residence time at a value between 0.5 days and 4 days, the time of residence of the particulate matter at a value between 0.5 days and 7 days, the temperature at a value between 20 ° C and 40 ° C and the pH at a value between 5 and 7.
Selon des gammes de valeurs plus restreintes, la charge volumique en matière organique est maintenue à une valeur comprise entre 30 et 60 gDCO/L/jour, le temps de séjour hydraulique à une valeur comprise entre 1 jour et 3 jours, le temps de séjour des matières particulaires à une valeur comprise entre 1 jour et 4 jours, la température à une valeur comprise entre 30°C et 37 °C et le pH a une valeur comprise entre 5,5 et 6,5.  According to smaller ranges of values, the volume load of organic matter is maintained at a value between 30 and 60 gDCO / L / day, the hydraulic residence time at a value between 1 day and 3 days, the residence time particulate matter between 1 day and 4 days, the temperature between 30 ° C and 37 ° C and the pH between 5.5 and 6.5.
Les acides organiques du mélange d'acides organiques de l'effluent fluide issu du procédé de la présente invention comprennent de manière préférentielle de deux à cinq atomes de carbone et de manière très préférentielle de deux à six atomes de carbone. The organic acids of the organic acid mixture of the fluid effluent resulting from the process of the present invention preferably comprise from two to five carbon atoms and very preferably from two to six carbon atoms. carbon.
Ce procédé amélioré de fermentation acidogène permet une production maîtrisée en termes de concentration, de composition et de productivité des acides organiques présentant de deux à au moins cinq atomes de carbone en utilisant des cultures microbiennes mixtes. La production maîtrisée est garantie par une optimisation en temps réel de la production de molécules organiques à l'aide du système de contrôle-commande permettant d'agir sur les conditions opératoires et sur la spécialisation de la biomasse microbienne.  This improved acidogenic fermentation process provides controlled production in terms of concentration, composition and productivity of organic acids having from two to at least five carbon atoms using mixed microbial cultures. Controlled production is guaranteed by real-time optimization of the production of organic molecules using the control-command system to influence the operating conditions and the specialization of microbial biomass.
Les « acides organiques » sont des composés organiques présentant des propriétés acides en milieux aqueux. Les acides carboxyliques sont une sous-classe particulière des acides organiques préférentiellement produits par le procédé selon l'invention. Parmi cette sous-classe des acides carboxyliques, le procédé selon l'invention permet notamment de produire des acides gras volatils avec la présence ou non d'acide lactique. On entend par « acide gras volatil », également connu sous l'acronyme français AGV ou l'acronyme anglais VFA, un acide carboxylique à chaîne aliphatique présentant de 2 à 6 atomes de carbone.  "Organic acids" are organic compounds having acidic properties in aqueous media. Carboxylic acids are a particular subclass of the organic acids preferentially produced by the process according to the invention. Among this subclass of carboxylic acids, the process according to the invention makes it possible in particular to produce volatile fatty acids with the presence or absence of lactic acid. The term "volatile fatty acid", also known by the French acronym AGV or the acronym VFA, means an aliphatic chain carboxylic acid having from 2 to 6 carbon atoms.
On entend par « charge volumique en matière organique » ou par « charge organique » ou par l'acronyme « OLR », la masse de substrat caractérisé par la Demande Chimique en Oxygène (DCO), introduite par jour dans un certain volume de réacteur. Elle peut être exprimée en gramme de DCO (gDCO) par litre de réacteur et par jour. La détermination de la DCO peut être faite selon la norme NF T90-101.  The term "volume load of organic matter" or "organic load" or the acronym "OLR" means the mass of substrate characterized by the Chemical Oxygen Demand (COD), introduced per day in a certain volume of reactor. It can be expressed in grams of COD (gDCO) per liter of reactor per day. The determination of the COD can be made according to the NF T90-101 standard.
On entend par « temps de séjour hydraulique » ou par l'acronyme « HRT », la durée pendant laquelle la fraction liquide du substrat (fraction liquide de l'alimentation) séjourne dans le réacteur (en contact avec le consortium microbien). Il représente le rapport entre le volume du réacteur et le débit d'alimentation en substrat. Il est exprimé en jours.  The term "hydraulic residence time" or the acronym "HRT" means the time during which the liquid fraction of the substrate (liquid fraction of the feed) remains in the reactor (in contact with the microbial consortium). It represents the ratio between the reactor volume and the substrate feed rate. It is expressed in days.
On entend par « temps de séjour de la matière particulaire » ou par l'acronyme « SRT », la durée pendant laquelle les matières particulaires, dont le consortium microbien, se trouvent dans le réacteur. Il représente le rapport entre la quantité de matières particulaires dans le réacteur et la quantité de matières particulaires soutirée par jour. Selon la configuration de l'installation et la nature du consortium microbien et du substrat fermentescible, les valeurs du SRT et du HRT peuvent être égales ou bien découplées. Le SRT est également exprimé en jours. "Particulate matter residence time" or the acronym "SRT" refers to the length of time that particulate matter, including the microbial consortium, is in the reactor. It represents the ratio between the amount of particulate matter in the reactor and the amount of particulate matter drawn off per day. Depending on the configuration of the facility and the nature of the microbial consortium and fermentable substrate, the TRS and HRT values may be equal or decoupled. TRS is also expressed in days.
On entend par « productivité » le débit massique d'acides organiques présentant de deux à au moins cinq atomes de carbone produits par le procédé par unité de volume de réacteur. Il est exprimé en général en g(ACides)/l-/jour. Dans le cas où la production d'AGVs est visée en particulier, il est exprimé en g(AGv)/L/jour. Selon le mode de réalisation de l'invention, la productivité peut notamment être exprimée pour des acides organiques/AGVs présentant de deux à cinq atomes de carbone ou des acides organiques/AGVs présentant de deux à six atomes de carbone. By "productivity" is meant the mass flow rate of organic acids having from two to at least five carbon atoms produced by the process per unit reactor volume. It is usually expressed in g ( AC ides ) / l- / day. In the case where the production of AGVs is targeted in particular, it is expressed in g ( A Gv ) / L / day. According to the embodiment of the invention, the productivity can in particular be expressed for organic acids / AGVs having two to five carbon atoms or organic acids / AGVs having two to six carbon atoms.
On entend par « rendement » de conversion, le rapport entre la concentration massique d'acides organiques présentant de deux à au moins cinq atomes de carbone produits convertie en DCO sur la concentration massique (DCO) de substrat fermentescible introduit (gAcides-Dco/gDco)- Dans le cas où la production d'AGVs est visée en particulier, le rendement de conversion correspond à (gAGv-Dco/gDco)- Selon le mode dans lequel est réalisée l'invention, le rendement peut notamment être exprimé pour des acides organiques/AGVs présentant de deux à cinq atomes de carbone ou des acides organiques/AGVs présentant de deux à six atomes de carbone.  By conversion "yield" is meant the ratio of the mass concentration of organic acids having from two to at least five carbon atoms produced converted to COD on the mass concentration (COD) of introduced fermentable substrate (gAcid-Dco / gDco ) - In the case where the production of AGVs is targeted in particular, the conversion efficiency corresponds to (gAGv-Dco / gDco) - Depending on the mode in which the invention is carried out, the yield can in particular be expressed for acids organic / VFAs having two to five carbon atoms or organic acids / AGVs having two to six carbon atoms.
On entend par « sélectivité », l'orientation vers la production d'acides organiques spécifiques présentant de deux à au moins cinq atomes de carbone. Elle est définie par le rapport de concentration massique (g/g) en acides organiques spécifiques produits sur la concentration massique en acides organiques présentant de deux à au moins cinq atomes de carbone produits. Selon le cas, la sélectivité peut être exprimée en fonction d'un seul acide organique spécifique ou de plusieurs acides organiques spécifiques. La sélectivité peut notamment être exprimée en fonction d'acides organiques spécifiques étant des acides organiques/AGVs présentant de quatre à cinq atomes de carbone ou des acides organiques/AGVs présentant de quatre à six atomes de carbone.  By "selectivity" is meant the orientation towards the production of specific organic acids having from two to at least five carbon atoms. It is defined by the mass concentration ratio (g / g) of specific organic acids produced on the mass concentration of organic acids having from two to at least five carbon atoms produced. Depending on the case, the selectivity can be expressed as a function of a single specific organic acid or of several specific organic acids. The selectivity may especially be expressed as a function of specific organic acids being organic acids / AGVs having from four to five carbon atoms or organic acids / AGVs having from four to six carbon atoms.
Le substrat fermentescible peut comprendre de manière générale tout type de manières organiques. Le substrat fermentescible est avantageusement constitué d'un ou plusieurs effluents à valoriser et peut selon les besoins être dilué ou supplémenté par des nutriments nécessaires à la croissance et au maintien du consortium microbien, en particulier des sources d'azote ou de phosphore ou tout autre nutriment identifié comme étant présent en proportions limitantes. Préférentiellement, le substrat fermentescible est un effluent issu de l'industrie agro-alimentaire, comme par exemple l'industrie laitière, sucrière, de l'amidon et du blé. The fermentable substrate can generally include any type of organic ways. The fermentable substrate is advantageously constituted by a or several effluents to be valorized and may, depending on the needs, be diluted or supplemented by nutrients necessary for the growth and maintenance of the microbial consortium, in particular nitrogen or phosphorus sources or any other nutrient identified as being present in limiting proportions. Preferably, the fermentable substrate is an effluent from the food industry, such as the dairy industry, sugar, starch and wheat.
Le consortium microbien est une biomasse fonctionnant en conditions anaérobies et/ou anoxiques. La biomasse peut être issue d'un digesteur municipal, d'un digesteur industriel traitant des effluents agroalimentaires ou de boues granulaires issues de réacteur anaérobie ou de rumens.  The microbial consortium is a biomass operating under anaerobic and / or anoxic conditions. Biomass can come from a municipal digester, an industrial digester processing agro-food effluents or granular sludge from anaerobic reactor or rumens.
Le réacteur mono-étagé peut être tout type de réacteur usuellement utilisé en traitement anaérobie/anoxique. Le procédé selon l'invention est préférentiellement mis en œuvre en mode continu ou semi-continu afin d'optimiser la productivité. Le type de réacteur est choisi de manière adéquate en fonction du type de substrat fermentescible à convertir. Le réacteur mono-étagé peut notamment être choisi parmi la liste suivante : un réacteur parfaitement agité (« continuous stirred tank reactor » ou « CSTR »), un réacteur anaérobie à flux ascendant avec lit de boues (« upflow anaerobic sludge blanket reactor » ou « UASB »), un réacteur anaérobie à lit de boue granulaire expansé EGSB (« expanded granular sludge blanket reactor »), un réacteur anaérobie à membrane (« anaerobic membrane reactor » ou « AnMBR ») ou un réacteur à fonctionnement séquentiel discontinu (« sequencing batch reactor » ou « SBR »).  The single-stage reactor may be any type of reactor usually used in anaerobic / anoxic treatment. The method according to the invention is preferably implemented in continuous or semi-continuous mode in order to optimize productivity. The type of reactor is suitably selected depending on the type of fermentable substrate to be converted. The single-stage reactor may notably be chosen from the following list: a perfectly stirred reactor ("continuous stirred tank reactor" or "CSTR"), an upstream anaerobic sludge blanket reactor ("upflow anaerobic sludge blanket reactor" or "UASB"), an expanded granular sludge blanket (EGSB) anaerobic reactor, an anaerobic membrane reactor ("AnMBR") or a batch sequential reactor (" sequencing batch reactor "or" SBR ").
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'étape de conduite avancée comprend une phase initiale d'adaptation du consortium microbien. Cette phase initiale d'adaptation peut durer de quelques heures à quelques jours, notamment de 0,5 jour à 3 jours. Elle consiste en une fermentation en batch du substrat en contact avec l'inoculum. Suite à cette étape d'acclimatation initiale, la fermentation se poursuit en mode semi-continu ou continu avec l'application d'une charge organique progressivement augmentée d'une valeur initiale basse à une valeur cible plus élevée. La charge organique initiale peut notamment avoir une charge volumique en matière organique comprise entre 5 et 20 gDCO/L/jour et tendre vers une valeur cible de charge volumique en matière organique comprise entre 20 et 80 gDCO/L/jour en fonction du substrat utilisé et des acides organiques souhaités. According to a particular embodiment of the invention, the advanced driving step comprises an initial phase of adaptation of the microbial consortium. This initial adaptation phase can last from a few hours to a few days, in particular from 0.5 days to 3 days. It consists of a batch fermentation of the substrate in contact with the inoculum. Following this initial acclimation step, the fermentation continues in semi-continuous or continuous mode with the application of an organic load progressively increased from a low initial value to a value higher target. The initial organic charge can in particular have a volume load of organic matter of between 5 and 20 gDCO / L / day and tend towards a target value of volume load of organic matter of between 20 and 80 gDCO / L / day depending on the substrate used. and desired organic acids.
L'étape de conduite avancée est mise en œuvre grâce à un système de contrôle-commande. Le système de contrôle commande comprend un ensemble de capteurs permettant la mesure en ligne des paramètres environnementaux de fermentation et un algorithme de contrôle-commande du procédé qui permet de réguler en temps réel les valeurs de consigne de la charge volumique en matière organique, du temps de séjour hydraulique, du temps de séjour des matières particulaires, de la température et du pH. The advanced driving stage is implemented through a control system. The control system comprises a set of sensors for the on-line measurement of the environmental parameters of fermentation and a control-command algorithm of the process which makes it possible to regulate in real time the reference values of the volume load of organic matter, of the time. hydraulic residence time, residence time of particulate matter, temperature and pH.
Les paramètres environnementaux mesurés en ligne sont notamment:  Environmental parameters measured online include:
le pH en entrée et en sortie du réacteur mono-étagé afin d'estimer le taux d'acidification dans le réacteur mono-étagé : le contrôle du pH dans le réacteur mono-étagé permet en particulier d'éviter l'inhibition de la production des acides organiques et de sélectionner les molécules à produire ;  the pH at the inlet and at the outlet of the single-stage reactor in order to estimate the rate of acidification in the single-stage reactor: the control of the pH in the single-stage reactor makes it possible in particular to avoid the inhibition of the production organic acids and to select the molecules to be produced;
la température : le contrôle de la température garantit que la fermentation est maintenue à un régime mésophile (20 - 40°C) ;  temperature: the temperature control ensures that the fermentation is maintained at a mesophilic regime (20 - 40 ° C);
- les débits massiques d'alimentation(s) et de vidange(s) du réacteur mono- étagé : en particulier, le débit massique d'alimentation en substrat fermentescible permet d'estimer et/ou mesurer la concentration et le flux de matière organique entrant dans le fermenteur.  the mass flow rates of feed (s) and emptying (s) of the single-stage reactor: in particular, the mass feed rate of fermentable substrate makes it possible to estimate and / or measure the concentration and the flow of organic matter entering the fermenter.
L'ajustement de la valeur de pH peut être commandé par ajout d'une solution acide (par exemple HCI) et/ou de base (par exemple NaOH) et/ou via le contrôle du niveau d'alcalinité par ajout de carbonate de calcium (CaC03) ou de carbonate de sodium (NaHC03) par exemple. The adjustment of the pH value can be controlled by adding an acid solution (for example HCl) and / or base (for example NaOH) and / or by controlling the level of alkalinity by addition of calcium carbonate. (CaCO 3 ) or sodium carbonate (NaHCO 3 ) for example.
L'ajustement de la température peut être commandé par des moyens de chauffage ou des moyens de refroidissement.  The temperature adjustment can be controlled by heating means or cooling means.
L'ajustement du temps de séjour hydraulique et/ou du temps de séjour des matières particulaires et/ou la charge volumique en matière organique est commandé par les débits massiques et/ou volumique d'alimentation(s) et de vidange(s) du réacteur mono-étagé. D'autres paramètres mesurés peuvent être intégrés au système de contrôle- commande afin d'ajuster de manière plus fine les valeurs de la charge volumique en matière organique, du temps de séjour hydraulique, du temps de séjour des matières particulaires, de la température et du pH, dans le but in fine de mieux contrôler le développement de la biomasse microbienne et la nature des acides organiques produits. Ces autres paramètres peuvent notamment être : The adjustment of the hydraulic residence time and / or the residence time of the particulate matter and / or the organic material volume load is controlled by the mass flow and / or volume flow (s) and discharge (s) of the single-stage reactor. Other measured parameters can be integrated into the control system in order to fine-tune the values of the organic matter load, the hydraulic residence time, the residence time of the particulate matter, the temperature and pH, with the ultimate aim of better controlling the development of microbial biomass and the nature of the organic acids produced. These other parameters can in particular be:
la conductivité électrique en entrée et/ou sortie du réacteur mono-étage: ce paramètre peut être corrélé à l'activité des ions dans le réacteur mono-étagé ;  the electrical conductivity at the inlet and / or outlet of the single-stage reactor: this parameter may be correlated with the activity of the ions in the single-stage reactor;
le débit et composition de l'effluent gazeux, notamment en C02, H2, CH4 : une forte présence de méthane peut être corrélée à une activation des archaea méthanogènes, ce qui n'est pas souhaité dans la présente invention ; la présence de dihydrogène est également un bon indicateur sur le déroulement de l'étape de fermentation et sur la nature des acides organiques produits (notamment le ratio acide butyrique/acide acétique et la concentration en acide lactique) ; the flow and composition of the gaseous effluent, in particular C0 2 , H 2 , CH 4 : a strong presence of methane can be correlated with an activation of archaea methanogens, which is not desired in the present invention; the presence of dihydrogen is also a good indicator of the progress of the fermentation stage and the nature of the organic acids produced (in particular the butyric acid / acetic acid ratio and the lactic acid concentration);
- la pression partielle en C02 dissout : la mesure de la pression partielle en dioxyde de carbone dissout peut servir d'indicateur pour le contrôle de l'alcalinité dans le fermenteur ; the partial pressure of C0 2 dissolves: the measurement of the partial pressure of dissolved carbon dioxide can serve as an indicator for the control of the alkalinity in the fermenter;
le potentiel d'oxydo-réduction : le potentiel d'oxydo-réduction est un bon indicateur de l'anaérobiose et de la présence d'oxygène dans le réacteur mono- étagé (conditions de micro aération) ; c'est également un bon indicateur de la qualité des acides organiques produits ; et,  the oxidation-reduction potential: the oxidation-reduction potential is a good indicator of the anaerobiosis and the presence of oxygen in the single-stage reactor (microaeration conditions); it is also a good indicator of the quality of the organic acids produced; and,
- la composition en acides organiques, et en particulier en AGVs, par titration automatisée, chromatographie (ionique) en ligne et/ou spectrométrie ; au préalable, l'effluent en sortie du réacteur mono-étagé doit être filtré au travers d'une membrane pour éviter l'encrassement de l'analyseur et réduire les temps de maintenance ; l'analyse par titration automatisée fournit des mesures d'alcalinité partielle/ totale et du bicarbonate. the composition of organic acids, and in particular of AGVs, by automated titration, in-line (ion) chromatography and / or spectrometry; beforehand, the effluent at the outlet of the single-stage reactor must be filtered through a membrane to prevent clogging of the analyzer and reduce the time of maintenance ; automated titration analysis provides partial / total alkalinity and bicarbonate measurements.
En outre, afin de garantir des conditions anoxiques/anaérobie, de l'azote et/ou du dioxyde de carbone peuvent être ajoutés de manière contrôlée.  In addition, to ensure anoxic / anaerobic conditions, nitrogen and / or carbon dioxide can be added in a controlled manner.
L'utilisation industrielle d'analyseur en ligne des acides organiques n'étant présentement qu'au stade de la recherche, les inventeurs de la présente invention ont également mis au point une méthode d'estimation de la composition en acides organiques à partir d'un ensemble de paramètres mesurés. Plus précisément, de manière préférentielle, dans le procédé selon l'invention, l'étape de conduite avancée de la fermentation acidogène est modulée en fonction d'une estimation continue et en temps réel de la concentration en acides organiques dans le réacteur mono-étagé à partir d'un ensemble de paramètres mesurés. Avantageusement, l'estimation continue de la concentration en acides organiques est mise en œuvre par régression des moindres carrés partiels à partir de mesures en ligne de: la conductivité électrique, la pression partielle en dihydrogène et le débit de l'effluent gazeux. Since the industrial use of an on-line organic acid analyzer is currently only at the research stage, the inventors of the present invention have also developed a method for estimating organic acid composition from a set of measured parameters. More specifically, preferably, in the process according to the invention, the advanced step of conducting the acidogenic fermentation is modulated according to a continuous and real-time estimation of the concentration of organic acids in the single-stage reactor. from a set of measured parameters. Advantageously, the continuous estimation of the concentration of organic acids is carried out by partial least squares regression from on-line measurements of: the electrical conductivity, the partial pressure of dihydrogen and the flow rate of the gaseous effluent.
Préférentiellement, le système de contrôle-commande comprend au moins un algorithme de logique floue. Le raisonnement flou permet de mieux appréhender des phénomènes naturels, imprécis et difficilement modélisables en s'appuyant sur la définition de règles et de fonctions d'appartenance à des ensembles dits « ensembles flous ». C'est pour sa facilité de mise en œuvre et de robustesse que la régulation à base de logique floue peut être adoptée pour le contrôle du procédé de fermentation anaérobie en culture mixte développé dans la présente invention. En effet, cette méthode permet d'obtenir une loi de commande, souvent efficace, sans devoir faire appel à des développements théoriques importants. Elle présente également l'intérêt de prendre en compte les expériences acquises par les utilisateurs et opérateurs du processus à commander. La structure d'un contrôleur flou se divise classiquement en trois parties: la fuzzification, le mécanisme de décision ou d'inférence et la defuzzification. La fuzzification est l'étape qui permet de transformer une grandeur mesurée sur le processus en un ensemble flou. Le mécanisme de décision permet de calculer les ensembles flous associés à la commande. La defuzzification est l'étape qui permet de transformer l'ensemble flou, obtenu par le calcul précédent, en une grandeur de commande à appliquer au processus. Preferably, the control-command system comprises at least one fuzzy logic algorithm. Fuzzy reasoning makes it possible to better understand natural phenomena that are imprecise and difficult to model by relying on the definition of rules and functions of belonging to so-called "fuzzy sets". It is for its ease of implementation and robustness that the fuzzy logic based regulation can be adopted for the control of the mixed culture anaerobic fermentation process developed in the present invention. Indeed, this method makes it possible to obtain a control law, often effective, without having to resort to important theoretical developments. It also presents the interest of taking into account the experiences acquired by the users and operators of the process to be controlled. The structure of a fuzzy controller is classically divided into three parts: fuzzification, the decision-making or inference mechanism, and defuzzification. Fuzzification is the stage that transforms a size measured on the process into a fuzzy set. The decision mechanism makes it possible to calculate the fuzzy sets associated with the command. Defuzzification is the step that transforms the fuzzy set, obtained by the previous calculation, into a control quantity to be applied to the process.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les acides organiques du mélange d'acides organiques présentent de deux à six atomes de carbone et, la concentration de ces acides organiques présentant de deux à six atomes de carbone dans l'effluent fluide est strictement supérieure à 15 g/L. According to one particular embodiment of the invention, the organic acids of the mixture of organic acids have from two to six carbon atoms and the concentration of these organic acids having from two to six carbon atoms in the fluid effluent is strictly greater than 15 g / L.
Avantageusement, le rapport massique d'acides gras volatils présentant de quatre à six atomes de carbone par rapport aux acides gras volatils présentant de deux à six atomes de carbone est supérieur ou égal à 50% (masse, g/g). Ces valeurs de concentration en acides organiques présentant de deux à six atomes de carbone et de rapport massique d'acides gras volatils présentant de quatre à six atomes de carbone par rapport aux acides gras présentant de deux à six atomes de carbone peuvent notamment être obtenues grâce à un procédé intégrant la méthode d'estimation de la composition en acides organiques à partir d'un ensemble de paramètres mesurés et l'utilisation d'un algorithme de logique floue pour le système de contrôle commande.  Advantageously, the mass ratio of volatile fatty acids having from four to six carbon atoms relative to volatile fatty acids having from two to six carbon atoms is greater than or equal to 50% (weight, g / g). These concentration values of organic acids having from two to six carbon atoms and a mass ratio of volatile fatty acids having from four to six carbon atoms relative to fatty acids having from two to six carbon atoms can in particular be obtained by means of a method incorporating the method for estimating the organic acid composition from a set of measured parameters and the use of a fuzzy logic algorithm for the control system.
Ainsi, contrairement aux procédés de l'art antérieur, le procédé selon la présente invention permet d'obtenir un effluent ayant une concentration élevée en acides organiques comprenant des acides organiques à haute valeur ajoutée. En outre la productivité du procédé est avantageusement supérieure ou égale à 7 g/L/j. Le rendement de conversion du procédé est avantageusement supérieur ou égal à 0.3. De manière avantageuse, le substrat fermentescible et le consortium microbien présents dans l'effluent fluide sont recirculés, au moins en partie, dans le réacteur mono-étagé après une séparation solides / liquide des acides organiques présentant de deux à au moins cinq atomes de carbone de l'effluent liquide. La séparation solides / liquide peut notamment être mise en œuvre par un séparateur à membrane, par une centrifugeuse ou par un autre moyen de décantation comme celui qui est inclus dans le réacteur mono-étagé (SBR, UASB, EGSB...). Ce mode de réalisation permet notamment un découplage entre le HRT et le SRT. Thus, unlike the processes of the prior art, the process according to the present invention makes it possible to obtain an effluent having a high concentration of organic acids comprising organic acids with a high added value. In addition, the productivity of the process is advantageously greater than or equal to 7 g / L / day. The conversion efficiency of the process is advantageously greater than or equal to 0.3. Advantageously, the fermentable substrate and the microbial consortium present in the fluid effluent are recirculated, at least in part, in the single-stage reactor after solid / liquid separation of the organic acids having from two to at least five carbon atoms. of the liquid effluent. The solid / liquid separation may in particular be implemented by a membrane separator, a centrifuge or by another decanting means such as that included in the single-stage reactor (SBR, UASB, EGSB ...). This embodiment notably allows a decoupling between the HRT and the SRT.
La fraction liquide non recirculée dans le réacteur mono-étagé peut être envoyée vers une étape de récupération et de purification des acides organiques.  The non-recirculated liquid fraction in the single-stage reactor can be sent to a step of recovery and purification of organic acids.
La présente invention concerne également une installation comprenant un réacteur mono-étagé et un système de contrôle-commande, comprenant un ensemble de capteurs et au moins un algorithme. L'installation permet notamment de mettre en œuvre le procédé ci-dessus décrit. The present invention also relates to an installation comprising a single-stage reactor and a control-command system, comprising a set of sensors and at least one algorithm. The installation makes it possible in particular to implement the method described above.
5. Liste des figures 5. List of figures
L'invention, ainsi que les différents avantages qu'elle présente, seront plus facilement compris grâce à la description qui va suivre de modes non limitatifs de réalisation de celle-ci, donnée en référence aux dessins, dans lesquels :  The invention, as well as the various advantages that it presents, will be more easily understood thanks to the following description of nonlimiting embodiments thereof, given with reference to the drawings, in which:
La Figure 1 représente de manière schématique une installation comprenant un réacteur mono-étagé CSTR pour la mise en œuvre de la présente invention.  Figure 1 schematically shows an installation comprising a single-stage reactor CSTR for the implementation of the present invention.
Les Figures 2A et 2B représentent la composition en acides organiques (acides gras volatils et lactate), et en éthanol pour deux essais réalisés, avec une charge organique variable (DCO) et une régulation du pH, de la température et du temps de séjour hydraulique.  FIGS. 2A and 2B show the composition of organic acids (volatile fatty acids and lactate), and ethanol for two tests carried out, with a variable organic charge (COD) and a regulation of the pH, the temperature and the hydraulic residence time .
La Figure 3A est une estimation de la production d'acides organiques (acides gras volatils et lactate) sur un réacteur mono-étagé de fermentation RI ayant évolué au cours du temps dans différentes conditions de charge organique (variations de concentration de l'alimentation). La variation des conditions de la charge organique est représentée en Figure 3B.  Figure 3A is an estimate of the production of organic acids (volatile fatty acids and lactate) in a single-stage RI fermentation reactor that has evolved over time under different organic loading conditions (changes in feed concentration). . The variation of the conditions of the organic charge is shown in FIG. 3B.
La Figure 4A est une estimation de la production d'acides organiques (AGV ou VFA + lactate) sur un réacteur mono-étagé de fermentation R2. Ce réacteur mono- étagé a évolué au cours du temps dans différentes conditions de pH, de charge organique, de type de gisement de fermentation (substrats riches en sucres et/ou protéines) et d'ajout ou non d'un gaz externe (H2/C02). La variation des conditions de la charge organique est représentée en Figure 4B. Figure 4A is an estimate of the production of organic acids (AGV or VFA + lactate) on a single-stage fermentation reactor R2. This single-stage reactor has evolved over time under different pH conditions, organic load, type of fermentation deposit (substrates rich in sugars and / or proteins) and the addition or not of an external gas (H 2 / C0 2 ). The variation of the conditions of the organic charge is shown in FIG. 4B.
La Figure 5A est une estimation de la production d'acides organiques (AGV ou VFA + lactate) sur un réacteur mono-étagé de fermentation R4. Ce réacteur mono- étagé a évolué au cours du temps dans différentes conditions de pH, de charge organique et de réactif utilisés pour le contrôle du pH (NaOH, Na2C03, CaC03 et NH4HC03). La variation des conditions de charge organique est représentée en Figure 5B. Figure 5A is an estimate of the production of organic acids (AGV or VFA + lactate) on a single-stage R4 fermentation reactor. This single-stage reactor has evolved over time under different pH, organic load and reagent conditions used for pH control (NaOH, Na 2 CO 3 , CaCO 3 and NH 4 HCO 3 ). The variation of the organic loading conditions is shown in FIG. 5B.
Les Figures 6A, 6B, 6C, 6D montrent des résultats de performance d'un procédé utilisant un algorithme de logique floue. En particulier, la Figure 6A représente l'évolution de la conductivité électrique (mesure-consigne) et du débit d'alimentation, la Figure 6B représente l'évolution du débit en dihydrogène (mesure-consigne) et du débit d'alimentation, la figure 6C représente l'évolution de la concentration de la mélasse en DCO dans l'alimentation et la figure 6D la production d'AGVs totaux, acétate (AA), butyrate (AB) lactate et éthanol.  Figures 6A, 6B, 6C, 6D show performance results of a method using a fuzzy logic algorithm. In particular, FIG. 6A represents the evolution of the electrical conductivity (measurement-setpoint) and of the feed rate, FIG. 6B represents the evolution of the flow rate in dihydrogen (measurement-setpoint) and of the feed rate, the Figure 6C shows the evolution of the concentration of molasses in COD in the diet and Figure 6D the production of total AGVs, acetate (AA), butyrate (AB) lactate and ethanol.
6. Description de modes détaillés de réalisation de l'invention 6. Description of detailed embodiments of the invention
6.1 - Installation avec un réacteur mono-étagé de fermentation en mode 6.1 - Installation with a single-stage fermentation reactor
CSTR CSTR
En référence à la Figure 1, une installation 1 dans laquelle le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre comprend une unité de mélange/dilution 20 dans laquelle un substrat fermentescible 200, à valoriser, est mélangé avec de l'eau 210. Le substrat fermentescible 200 peut notamment se présenter sous la forme d'un mélange d'un substrat principal avec un ou plusieurs substrats secondaires. L'eau 210 utilisée dans l'unité de mélange/dilution 20 peut être de l'eau issue d'un procédé produisant à une certaine étape de l'eau ou bien issue du réseau. Le mélange 220 ainsi obtenu est alors envoyé dans une cuve d'alimentation 30, puis est introduit dans un réacteur mono-étagé 10 au niveau du point d'alimentation pour fluide 11 via une canalisation basse 32. Une canalisation 31 permet le mélange et l'homogéinisation du substrat dans la cuve d'alimentation 30 par recirculation du fluide dans cette même cuve d'alimentation 30 (canardage). Alternativement, la cuve d'alimentation 30 pourrait être mélangée et homogonéisée au moyen d'un agitateur mécanique. With reference to FIG. 1, an installation 1 in which the process according to the invention can be implemented comprises a mixing / dilution unit 20 in which a fermentable substrate 200, to be upgraded, is mixed with water 210. The fermentable substrate 200 may especially be in the form of a mixture of a main substrate with one or more secondary substrates. The water 210 used in the mixing / dilution unit 20 may be water resulting from a process producing at a certain stage of the water or coming from the network. The mixture 220 thus obtained is then sent into a feed tank 30, and is then introduced into a single-stage reactor 10 at the fluid feed point 11 via a low pipe 32. homogenization of the substrate in the feed tank 30 by recirculation of the fluid in this same tank feeding 30 (duck). Alternatively, the feed tank 30 could be mixed and homogonized by means of a mechanical stirrer.
Le réacteur mono-étagé 10 est un réacteur à réservoir parfaitement agité (CSTR). Il comprend un moyen d'agitation 9. Il comprend aussi un point d'alimentation pour fluide 11, un point d'alimentation pour gaz 12, un point d'évacuation pour fluide 13 et un point d'évacuation pour gaz 14. Il comprend également un point d'alimentation 60 en acide 65 et un point d'alimentation 70 en base 75. Il comprend également une purge pour fluide 15 et une purge pour gaz 16. Un inoculum bactérien est introduit dans le réacteur mono-étagé 10 au démarrage du procédé. The single-stage reactor 10 is a perfectly stirred tank reactor (CSTR). It comprises a stirring means 9. It also comprises a fluid feed point 11, a feed point for gas 12, a fluid discharge point 13 and a gas discharge point 14. It comprises also a feed point 60 in acid 65 and a feed point 70 in base 75. It also comprises a purge for fluid 15 and a purge for gas 16. A bacterial inoculum is introduced into the single-stage reactor 10 at startup. of the process.
Le réacteur mono-étagé 10 est alimenté en continu ou en semi continu par le mélange 220 au niveau du point d'alimentation pour fluide 11. Du gaz (C02/N2) peut être introduit au niveau du point d'alimentation pour gaz 12 afin de satisfaire à des conditions de fermentation anaérobies/anoxiques. Le pH et l'alcalinité peuvent être ajustés au cours de la fermentation par ajout d'acide 65 (HCI) et/ou de bases 75 (NaOH et ou CaC03 et/ou NaHC03). L'effluent fluide 300 est récupéré en continu ou en semi- continu au niveau du point d'évacuation pour fluide 13 puis est séparé par une unité de séparation des solides 40 en une première phase 310 comprenant de la biomasse et une charge organique résiduelle et en une deuxième phase 320 comprenant des acides organiques constitués de deux à six atomes de carbone. Ces deux phases 310, 320 peuvent être recirculées, au moins en partie, dans le réacteur mono-étagé 10 au niveau de points de recirculation 18, 19. La recirculation de la deuxième phase 320 est utilisée uniquement en cas de dysfonctionnement de l'extraction et/ou de la récupération des acides organiques. The single-stage reactor 10 is supplied continuously or semi-continuously by the mixture 220 at the fluid feed point 11. Gas (C0 2 / N 2 ) can be introduced at the feed point for gas 12 to meet anaerobic / anoxic fermentation conditions. The pH and alkalinity can be adjusted during fermentation by addition of 65 (HCl) acid and / or 75 bases (NaOH and or CaCO 3 and / or NaHCO 3 ). The fluid effluent 300 is recovered continuously or semi-continuously at the fluid discharge point 13 and is then separated by a solids separation unit 40 into a first phase 310 comprising biomass and a residual organic charge and in a second phase 320 comprising organic acids consisting of two to six carbon atoms. These two phases 310, 320 may be recirculated, at least in part, in the single-stage reactor 10 at recirculation points 18, 19. The recirculation of the second phase 320 is used only in case of malfunctioning of the extraction and / or the recovery of organic acids.
L'installation 1 comprend également un système de contrôle-commande 100 du réacteur mono-étagé 10 et un système de contrôle commande 110 de la cuve d'alimentation 30.  The installation 1 also comprises a control system 100 of the single-stage reactor 10 and a control system 110 of the feed tank 30.
Le système de contrôle-commande 100 permet de réguler le temps de séjour hydraulique, le temps de séjour en matières particulaires, la température et le pH. Il peut permettre également de réguler la vitesse d'agitation dans le réacteur mono- étagé 10, l'alcalinité et les débits de gaz entrant et sortant. The control system 100 regulates the hydraulic residence time, the residence time in particulate matter, the temperature and the pH. he can also be used to regulate the stirring rate in the single-stage reactor 10, the alkalinity and the flow rates of incoming and outgoing gas.
Le système de contrôle-commande 110 permet de réguler la charge volumique en matière organique ainsi que le niveau dans la cuve d'alimentation 30. Il permet également de contrôler la dilution et le mélange des substrats à fermenter.  The control-command system 110 makes it possible to regulate the volume load of organic matter as well as the level in the feed tank 30. It also makes it possible to control the dilution and the mixture of the substrates to be fermented.
Les systèmes de contrôle-commande 100, 110 comprennent un ensemble de capteurs répartis sur toute l'installation 1 et notamment :  The control-command systems 100, 110 comprise a set of sensors distributed over the entire installation 1 and in particular:
- un capteur 499 pour mesurer la concentration en carbone organique totale (BioTector)  a sensor 499 for measuring the total organic carbon concentration (BioTector)
- des débimètres 500 ; - 500 meters;
- des capteurs de niveau 501 ;  level sensors 501;
- des capteurs de pH/température 502 et de potentiel d'oxydo-réduction 505;  sensors of pH / temperature 502 and of oxidation-reduction potential 505;
- un capteur de conductivité électrique/température 503;  an electrical conductivity / temperature sensor 503;
- des capteurs 504 pour mesurer la pression totale dans la phase gaz du réacteur mono-étagé 10, la concentration en hydrogène dans la phase gaz, la concentration en sensors 504 for measuring the total pressure in the gas phase of the single-stage reactor 10, the concentration of hydrogen in the gas phase, the concentration in
CH4 dans la phase gaz du réacteur mono-étagé 10, la concentration en C02 dans la phase gaz du réacteur mono-étagé 10; et, CH 4 in the gas phase of the single-stage reactor 10, the CO 2 concentration in the gas phase of the single-stage reactor 10; and,
- un capteur 506 pour mesurer la pression partielle en C02 dissous en sortie de réacteur mono-étagé 10. a sensor 506 for measuring the C0 2 partial pressure dissolved at the outlet of the single-stage reactor 10.
L'installation 1 comprend également un ensemble de pompes et vannes (représentées, mais non-numérotées sur la Figure 1). Installation 1 also includes a set of pumps and valves (shown but not numbered in Figure 1).
6.2 - Résultats expérimentaux avec différents substrats fermentescibles 6.2 - Experimental results with different fermentable substrates
Les principes de l'invention décrite précédemment sont présentés maintenant au travers de plusieurs exemples d'essais expérimentaux réalisés avec différents substrats fermentescibles et sous différentes conditions dans l'installation présentée ci-dessus.  The principles of the invention described above are now presented through several examples of experimental tests carried out with different fermentable substrates and under different conditions in the installation presented above.
Les différents substrats fermentescibles testés ont été :  The different fermentable substrates tested were:
· Substrat 1 : très riche en sucres (> à 60% de la DCO totale) ; • Substrat 2 : riche en protéines (> à 50% de la DCO totale); · Substrate 1: very high in sugars (> 60% of total COD); • Substrate 2: high in protein (> 50% of total COD);
• Substrat 3 : composition mixte : sucres + protéines  • Substrate 3: mixed composition: sugars + proteins
• Substrat 4: composition mixte : sucres + protéines  • Substrate 4: mixed composition: sugars + proteins
• Substrat 5: composition mixte : Mélange substrats 1 et 3  • Substrate 5: mixed composition: Mixture substrates 1 and 3
Pour tous les exemples d'essais expérimentaux présentés, les ressources utilisées ont été diluées pour pouvoir imposer les conditions opératoires spécifiques visées. Le degré de dilution varie en fonction de la concentration initiale de la ressource disponible (DCO). Pour l'ensemble des exemples détaillés, l'objectif a été de d'orienter la production d'acides organiques vers les acides gras volatils.  For all the experimental test examples presented, the resources used were diluted in order to impose the specific operating conditions concerned. The degree of dilution varies according to the initial concentration of the available resource (COD). For all of the detailed examples, the aim has been to direct the production of organic acids to volatile fatty acids.
Le Tableau 1 présente le résumé des résultats obtenus pour les différentes ressources considérées : Table 1 summarizes the results obtained for the different resources considered:
Figure imgf000020_0001
Figure imgf000020_0001
Tableau 1 Dans tous les exemples décrits dans le Tableau n°l, la composition en AGVs obtenue, % C4->C6, est supérieur à 50% (g/g). De même, la concentration en molécules organiques présentant de 2 à 6 molécules de carbone est strictement supérieure à 15g/L et la productivité volumétrique obtenue pour tous les exemples, est supérieure à 7 g C2-C6/L/j. La présentation des différents exemples illustre la gamme de profils en molécules organiques présentant de 2 à 6 molécules de carbone qu'il est possible de produire, tout en respectant les critères de concentration, productivité et rendement revendiqués dans l'invention présente et qui ne sont pas atteints de façon combiné, comme c'est le cas ici, sous des conditions d'opération similaires, dans les références disponibles dans l'état de l'art. Il est à noter également que certains essais expérimentaux ont conduit à de forte concentration en acides organiques (> 35 g/L) et les phénomènes inhibiteurs par toxicité des acides organiques n'ont pas été observés. 6.3 - Recherche des conditions optimales de production d'AGVs Table 1 In all the examples described in Table No. 1, the resulting AGVs composition,% C4-> C6, is greater than 50% (g / g). Similarly, the concentration of organic molecules having from 2 to 6 carbon molecules is strictly greater than 15 g / l and the volumetric productivity obtained for all the examples is greater than 7 g C2-C6 / L / d. The presentation of the various examples illustrates the range of profiles in organic molecules having 2 to 6 carbon molecules that can be produced, while respecting the criteria of concentration, productivity and yield claimed in the present invention and which are not not achieved in a combined way, as is the case here, under similar operating conditions, in the references available in the state of the art. It should also be noted that some experimental tests have led to a high concentration of organic acids (> 35 g / L) and the inhibitory phenomena by toxicity of organic acids have not been observed. 6.3 - Search for optimal conditions for AGV production
Afin de définir les gammes des paramètres opératoires (tels que le pH, la charge organique et le temps de séjour hydraulique) à appliquer au fermenteur pour atteindre les critères de production souhaités, plusieurs associations de ces paramètres ont été étudiées. Il a été choisi d'illustrer cet exercice de recherche des conditions optimales de production d'AGVs au travers des deux essais suivants, décrivant la fermentation des mélasses.  In order to define the ranges of the operating parameters (such as the pH, the organic load and the hydraulic residence time) to be applied to the fermenter to achieve the desired production criteria, several combinations of these parameters have been studied. It was chosen to illustrate this exercise of research of the optimal conditions of production of AGVs through the two following tests, describing the fermentation of the molasses.
6.3-a Essai n°l (voir exemple 2 du tableau 1) 6.3-a Test No. 1 (see Example 2 of Table 1)
La Figure 2A présente la concentration obtenue en AGVs, d'acide lactique et d'éthanol en fonction de la charge organique appliquée dans le réacteur CSTR. Les conditions opératoires sont les suivantes : T=30°C, pH=6, HRT=2 j, OLR=10-90 g DCO/L/jr.  Figure 2A shows the concentration of AGVs, lactic acid and ethanol as a function of the organic charge applied in the CSTR reactor. The operating conditions are as follows: T = 30 ° C, pH = 6, HRT = 2 d, OLR = 10-90 g COD / L / d.
La charge a été augmentée au démarrage du fermenteur (entre 0 et 35 jours) de façon progressive pour atteindre 40 g DCO/L/jr dans le but de stabiliser la production d'AGVs et d'acclimater la biomasse. Entre 35 jours et 366 jours, une fois la biomasse adaptée, la charge appliquée a été variée de 30 à 90 g DCO/L/j'r dans le but d'étudier l'impact de ce paramètre sur la performance de la fermentation du substrat 1. Les résultats de ces essais montrent qu'il a été possible d'atteindre des concentrations en AGVs supérieures à 35 gAGV/L en réacteur mono-étagé, avec une composition en C4-C6 > 50% (masse) et une productivité proche de 20 gAGV/L/j, grâce à l'application combinée des conditions opératoires spécifiques. Sur certaines phases opératoires (OLR>50 g DCO/L/j), des productions d'acides lactiques importantes sont également observées. Le pilotage de la charge organique et son maintien à une charge inférieure de 50 g DCO/L/j a souvent permis de réduire la production de cet acide. The load was increased at startup of the fermenter (between 0 and 35 days) gradually to reach 40 g COD / L / day in order to stabilize the production of AGVs and acclimate the biomass. Between 35 days and 366 days, once adapted biomass, the applied load was varied from 30 to 90 g COD / l / day r in order to investigate the impact of this parameter on the fermentation performance of the substrate 1. The results of these tests show that It has been possible to achieve AGV concentrations above 35 gAGV / L in a single-stage reactor, with a C4-C6 composition> 50% (mass) and a productivity close to 20 gAGV / L / d, thanks to to the combined application of the specific operating conditions. On certain operating phases (OLR> 50 g COD / L / day), important lactic acid productions are also observed. The control of the organic filler and its maintenance at a lower load of 50 g COD / L / d often reduced the production of this acid.
6.3-b Essai n°2 6.3-b Test n ° 2
La Figure 2B illustre l'évolution temporelle de la production d'AGVs, d'acide lactique et d'éthanol sur un essai de fermentation du substrat 1, pour une augmentation progressive de la charge organique (par pallier de 10gDCO/L/j) et en présence de perturbations de pH (pH inférieur à 5). Les conditions opératoires dans le réacteur CSTR sont les suivantes : HRT 2j, T=30°C, pH=5.8, OLR=10-40 g DCO/L/j.  Figure 2B illustrates the time evolution of the production of AGVs, lactic acid and ethanol on a fermentation test of the substrate 1, for a progressive increase of the organic load (by step of 10gDCO / L / day) and in the presence of pH disturbances (pH less than 5). The operating conditions in the CSTR reactor are as follows: HRT 2j, T = 30 ° C, pH = 5.8, OLR = 10-40 g COD / L / d.
Cette séquence expérimentale réalisée à un temps de séjour hydraulique de 2 jours a permis d'obtenir des informations sur l'impact du pH et de la charge organique appliquée sur la fermentation et d'atteindre des résultats en ligne avec la présente invention. En effet, un pH inférieur ou égal à 5 induit une concentration plus faible en produits (AGV) qu'un pH de 6, comme le montrent les résultats présentés dans la Figure 2B. En outre, à chaque changement de pH (volontaire ou subi), la concentration en AGVs diminue fortement au profit d'une production d'acide lactique (fermentation lactique) et d'éthanol. Cet élément illustre la possibilité d'orienter la sélectivité vers la production d'acide lactique. This experimental sequence carried out at a hydraulic residence time of 2 days made it possible to obtain information on the impact of the pH and the organic charge applied on the fermentation and to obtain results in line with the present invention. Indeed, a pH less than or equal to 5 induces a lower concentration of products (AGV) than a pH of 6, as shown by the results presented in Figure 2B. In addition, at each pH change (voluntary or sustained), the concentration of AGVs decreases sharply in favor of a production of lactic acid (lactic fermentation) and ethanol. This element illustrates the possibility of orienting selectivity towards the production of lactic acid.
Les résultats de cet essai suggèrent un contrôle précis du pH et de l'ajout de l'alcalinité tel que revendiqué dans cette invention. Le contrôle du pH est capital pour garantir la stabilité et la robustesse du procédé. Il a donc été proposé dans des caractéristiques préférentielles de l'invention de mettre en place un contrôle redondant du pH. Ce contrôle redondant du pH est réalisé par la mise en place au minimum de deux capteurs de pH. Les informations émises par les capteurs de pH sont traitées simultanément pour définir les actions adéquates à appliquer aux pompes doseuses d'acide et base. 6.4 Estimation en ligne de la production d'acides gras volatils et d'acide lactique par régression des moindres carrés partiels The results of this test suggest precise control of pH and addition of alkalinity as claimed in this invention. PH control is essential to ensure the stability and robustness of the process. It has therefore been proposed in preferred features of the invention to set up a redundant pH control. This redundant pH control is achieved by setting up minimum of two pH sensors. The information emitted by the pH sensors is processed simultaneously to define the appropriate actions to be applied to acid and base metering pumps. 6.4 Online Estimation of Volatile Fatty Acid and Lactic Acid Production by Partial Least Squares Regression
Un estimateur en ligne de la concentration en acides organiques produits en fermentation a été développé (acides gras volatils + acide lactique). Plusieurs modèles d'apprentissage statistique ont été ainsi testés pour mettre au point ce module d'estimation et/ou de prédiction en ligne de la concentration en acides organiques. Ces modèles sont basés sur les techniques de d'intelligence artificielle. Ils utilisent comme données d'entrée tout ou partie des informations émises par les capteurs cités dans la section 6.1 et nécessitent des temps et/ou coûts de maintenance faibles.  An online estimator of the concentration of organic acids produced in fermentation has been developed (volatile fatty acids + lactic acid). Several statistical learning models were thus tested to develop this module for online estimation and / or prediction of organic acid concentration. These models are based on artificial intelligence techniques. They use as input all or some of the information emitted by the sensors mentioned in section 6.1 and require low maintenance times and / or costs.
La Figure 3A illustre le résultat d'une estimation de la concentration en acides organiques en utilisant un modèle de régression des moindres carrés partiels (« Partial Least Square Régression » ou « PLSR ») et des données de conductivité, de débit d'hydrogène et de concentration en hydrogène mesurés sur un réacteur RI qui fonctionne en mode CSTR à une charge organique (OLR) variable de 10 à 80 g DCO/L/j (Figure 3B), un pH contrôlé autour de 6, une température de 30°C et un temps de séjour hydraulique de 2 jours. Il est possible de noter que d'une manière globale, ce modèle capte très bien la dynamique de production d'acides gras volatils et d'acide lactique.  Figure 3A illustrates the result of an estimation of the organic acid concentration using a Partial Least Square Regression (PLSR) regression model and conductivity, hydrogen flow rate and of hydrogen concentration measured on an RI reactor operating in CSTR mode at an organic load (OLR) variable from 10 to 80 g COD / L / d (Figure 3B), a pH controlled around 6, a temperature of 30 ° C and a hydraulic residence time of 2 days. It is possible to note that in a global way, this model captures very well the production dynamics of volatile fatty acids and lactic acid.
Le même modèle PLSR est utilisé pour estimer en ligne la production d'acides organiques sur d'autres réacteurs. Les figures 4A et 5A illustrent les résultats de cette estimation pour des charges OLR variables (Figures 4B et 5B). Ces fermenteurs ont été opérés en continu pendant presque un an en culture mixte et dans différentes conditions opératoires. On peut clairement constater d'après les figures 4A et 5A la capacité du modèle PLSR et des mesures simples de conductivité électrique, de débit d'hydrogène et de concentration en hydrogène dans la phase gaz à reproduire correctement l'impact : D'une variation de l'alcalinité, The same PLSR model is used to estimate the production of organic acids on other reactors online. Figures 4A and 5A illustrate the results of this estimation for variable OLR loads (Figures 4B and 5B). These fermentors were operated continuously for almost a year in mixed culture and under different operating conditions. It can clearly be seen from FIGS. 4A and 5A the ability of the PLSR model and simple measurements of electrical conductivity, hydrogen flow rate and hydrogen concentration in the gas phase to correctly reproduce the impact: Of a variation of the alkalinity,
D'une variation de la charge organique,  Of a variation of the organic load,
D'un lessivage de la biomasse,  From a leaching of biomass,
D'un changement de la qualité du substrat sur la concentration en AGVs - De l'injection d'un gaz sur la production d'AGVs.  A change in the quality of the substrate on the concentration of AGVs - From the injection of a gas on the production of AGVs.
Toutefois, sur certaines phases des essais du réacteur R2, le modèle sous-estime les fortes concentrations en acides organique qui sont principalement liées à de fortes production d'acide lactique (entre 50 à 74 g/1). L'ajout des informations sur le débit de soude utilisé pour le contrôle du pH, de l'évolution du potentiel redox et du temps de séjour hydraulique est envisagé pour améliorer la prévision de ce modèle sur certaines phases de fonctionnement.  However, in some phases of the R2 reactor tests, the model underestimates the high concentrations of organic acids that are mainly related to high lactic acid production (between 50 to 74 g / 1). The addition of information on the sodium flow rate used for the pH control, the evolution of the redox potential and the hydraulic residence time is envisaged to improve the prediction of this model on certain operating phases.
6.5 Exemples d'algorithmes de contrôle-commande appliqués au procédé 6.5 Examples of process control algorithms applied to the process
Les principales caractéristiques des régulateurs de logique floue développés et prototypés en simulation et validés à échelle laboratoire sont reportées dans le The main characteristics of fuzzy logic controllers developed and prototyped in simulation and validated at laboratory scale are reported in the
Tableau 2 présenté ci-dessous : Table 2 presented below:
Test et Test and
Type de Variables de Variables de Type of Variables of Variables of
N° validation contrôleur mesures commande  N ° validation controller measures command
expérimental experimental
Conductivité, Conductivity,
Direct  Direct
Concentration H2 Débit Concentration H 2 Flow
1 Fuzzy Logic  1 Fuzzy Logic
(gaz) d'alimentation Oui  (gas) supply Yes
Control  Control
Débit de gaz  Gas flow
Direct  Direct
Conductivité Débit  Conductivity Flow
2 Fuzzy Logic Oui  2 Fuzzy Logic Yes
électrique d'alimentation  power supply
control  control
Estimation Conductivité  Estimation Conductivity
AGV et Concentration H2 Débit AGV and Concentration H 2 Flow
3 Non  3 No
lactate (gaz) d'alimentation  lactate (gas) feed
Fuzzy Logic Débit de biogaz Control Fuzzy Logic Biogas flow Control
PH  PH
Fuzzy Logic Débit d'acide  Fuzzy Logic Acid Flow
4 Consommation de Non  4 Consumption of No
control Débit de base  basic rate control
base  based
Tableau 2  Table 2
La stratégie de contrôle-commande N°l est explicitée en détail ci-dessous. Il a été testé pour évaluer sa capacité à piloter en boucle fermée le débit de substrat 1 alimentant un réacteur de fermentation infiniment mélangé en fonction de :  Control-command strategy No. 1 is explained in detail below. It has been tested to evaluate its capacity to control in closed loop the flow of substrate 1 feeding an infinitely mixed fermentation reactor according to:
1- Mesure de concentration en hydrogène dans la phase gaz ; 1- Measuring hydrogen concentration in the gas phase;
2- Mesure du débit de biogaz ;  2- Measurement of the biogas flow;
3- Mesure de la conductivité électrique dans la phase liquide.  3- Measurement of the electrical conductivity in the liquid phase.
Le mécanisme de décision de ce régulateur est défini en se basant sur des résultats d'essais expérimentaux menés pour étudier la fermentation du substrat 1 et des mélanges (substrat 5) dans le cadre de l'invention. Un exemple de performance de la loi de contrôle est présenté aux figures 6A, 6B, 6C, 6D. Le résultat présenté correspond à 80 jours de fonctionnement en continu d'un réacteur parfaitement agité alimenté par du substrat 1. Différentes perturbations ont été envisagées afin d'évaluer la capacité de ce contrôle-commande à maintenir les performances cibles du procédé. Dans ce but, plusieurs consignes de débit de dihydrogène (Q.H2) (Figure 6B) et de conductivité électrique (CmS/cm) (Figure 6A) ont été sélectionnées. Ces valeurs de référence ont été choisies sur la base de la connaissance du procédé afin de produire des acides organiques à haute valeur ajoutée (i.e. de l'acide butyrique pour une fermentation de substrat 1), sans déstabiliser la performance du procédé (i.e. minimiser les concentrations élevées d'acide lactique et d'acide acétique) signifiant généralement une inhibition et/ou un ralentissement de la production d'AGVs. Ce premier contrôleur de logique floue a également été soumis à des perturbations dans les concentrations de flux entrant dans le réacteur (Figure 6C): c'est-à-dire des concentrations de mélasse dans l'alimentation. Entre 0 et 20 jours, le contrôleur flou est opéré à une consigne de débit d'hydrogène de 20 LH2/d, tandis que la valeur de référence de conductivité électrique est variée de 33 à 29 mS/cm. Malgré les fortes concentrations de la DCO dans l'alimentation du réacteur RI, il n'a pas été constaté d'inhibition ou d'instabilité des performances en termes production en AGVs (Figure 6D). En outre, avec l'activation de ce système de régulation floue, la production d'acide lactique et d'acide acétique a été considérablement réduite. La baisse de la concentration de ses deux acides s'est accompagnée par un accroissement de la production d'acide butyrique qui représente presque 95% de la production totale en acides organique. The decision mechanism of this regulator is defined based on experimental test results conducted to study the fermentation of substrate 1 and mixtures (substrate 5) within the scope of the invention. An exemplary performance of the control law is shown in Figures 6A, 6B, 6C, 6D. The result presented corresponds to 80 days of continuous operation of a perfectly stirred reactor fed by the substrate 1. Various disturbances were considered in order to evaluate the ability of this control-command to maintain the target performance of the process. For this purpose, several dihydrogen flow instructions (Q. H 2) (Figure 6B) and electrical conductivity (C mS / cm) (Figure 6A) were selected. These reference values were chosen on the basis of the knowledge of the process in order to produce organic acids with high added value (ie butyric acid for a fermentation of substrate 1), without destabilizing the performance of the process (ie minimizing the high concentrations of lactic acid and acetic acid) generally signifying inhibition and / or slowing down of AGV production. This first fuzzy logic controller was also subjected to disturbances in the concentrations of flux entering the reactor (FIG. 6C): that is to say concentrations of molasses in the feed. Between 0 and 20 days, the fuzzy controller is operated at a hydrogen flow rate of 20 L H2 / d, while the reference value of electrical conductivity is varied from 33 to 29 mS / cm. Despite the high concentrations of COD in the reactor feed RI, there was no inhibition or instability of performance in terms of production of AGVs (Figure 6D). In addition, with the activation of this fuzzy regulation system, the production of lactic acid and acetic acid has been considerably reduced. The drop in the concentration of its two acids was accompanied by an increase in the production of butyric acid, which represents almost 95% of the total production of organic acids.
La forte sélectivité pour l'acide butyrique est liée aux règles floues mises en place dans le raisonnement du régulateur qui sont basés sur des seuils de conductivité électrique, de concentration en hydrogène et débit de biogaz. En effet, la valeur de ces paramètres peut directement renseigner l'opérateur sur la qualité des AGVs et une éventuelle production d'acide lactique.  The high selectivity for butyric acid is related to the fuzzy rules put in place in the regulator's reasoning that are based on thresholds of electrical conductivity, hydrogen concentration and biogas flow. Indeed, the value of these parameters can directly inform the operator on the quality of the AGVs and a possible production of lactic acid.
Entre 20 et 30 jours, une forte baisse de la production d'acide butyrique est observée sur le réacteur. Elle est liée à une forte chute du pH pour atteindre une valeur de 4,5 suite à un défaut de régulation pendant un weekend. La présence du contrôleur a permis un redémarrage très rapide de la production d'acide butyrique sur ce réacteur, notamment en allongeant le temps de séjour hydraulique pour une meilleure acclimatation de la biomasse. Comparé à d'autres réacteurs ayant subits les mêmes perturbations de pH, la présence de ce régulateur de logique floue a permis un gain de temps de 50 % sur cette phase de redémarrage.  Between 20 and 30 days, a sharp decline in the production of butyric acid is observed on the reactor. It is linked to a sharp drop in pH to reach a value of 4.5 due to a regulation fault during a weekend. The presence of the controller allowed a very fast restart of the production of butyric acid on this reactor, in particular by extending the hydraulic residence time for a better acclimatization of the biomass. Compared to other reactors that have experienced the same pH disturbances, the presence of this fuzzy logic controller has allowed a 50% time saving on this restart phase.
Entre 20 et 60 jours, la baisse de la concentration en DCO alimentant ce réacteur a eu un effet plutôt négatif sur la concentration en AGVs (une baisse d'environ 10 g/1). Cette phase des essais montre clairement qu'une action sur le débit d'alimentation (i.e. modulation de la charge organique à appliquer au réacteur par une action sur le temps de séjour hydraulique) n'est pas suffisante pour compenser les impacts d'une forte baisse de concentration du substrat à dégrader. Cependant, malgré cette baisse de performances, les critères de concentration, de rendement et de productivité restent respectés. Pour conclure, ces résultats expérimentaux illustrent la capacité du contrôleur de logique floue à compenser des perturbations de pH et de charges organiques. Ce contrôleur est également capable de maintenir les performances souhaitées du procédé selon l'invention et de garantir une forte sélectivité de la biomasse pour l'acide butyrique. En effet, il a été possible de maintenir le système autour d'un point de consigne en concentration d'acide butyrique établi sans mesurer directement sa concentration. Le contrôleur proposé a permis aussi d'intégrer sous forme de règles les connaissances expertes suivantes: Between 20 and 60 days, the drop in the COD concentration fed to this reactor had a rather negative effect on the concentration of AGVs (a drop of about 10 g / 1). This phase of the tests clearly shows that an action on the feed rate (ie modulation of the organic load to be applied to the reactor by an action on the hydraulic residence time) is not sufficient to compensate for the impacts of a strong lower concentration of the substrate to be degraded. However, despite this drop in performance, the criteria of concentration, efficiency and productivity remain met. In conclusion, these experimental results illustrate the ability of the fuzzy logic controller to compensate for pH and organic charge disturbances. This controller is also able to maintain the desired performance of the process according to the invention and to guarantee a high selectivity of the biomass for butyric acid. Indeed, it was possible to maintain the system around a set point in concentration of butyric acid established without measuring its concentration directly. The proposed controller also made it possible to integrate the following expert knowledge into rules:
· Les consignes minimales de débit d'hydrogène afin d'éviter une faible production d'acide butyrique · Minimum guidelines for hydrogen flow to avoid low production of butyric acid
• Les limites maximales de conductivité électrique pour éviter la production d'acide lactique  • The maximum limits of electrical conductivity to avoid the production of lactic acid
• Le temps de séjour hydraulique minimal pour éviter un lessivage de la biomasse Une extension de la régulation pour rajouter les informations émises par le potentiel d'oxydo-réduction est envisagée dans le futur pour un pilotage plus fin des voies métaboliques (types d'acides organiques produits). En effet, des premiers résultats non illustrés dans cette demande de brevet montrent clairement la possibilité de contrôler les voies métaboliques exprimées en agissant sur ce paramètre par une injection externe d'un gaz. Pour éviter une baisse de rendement, le pilotage de la co- fermentation de deux et/ou plusieurs substrats ayant des concentrations différentes est également envisagé comme moyen de compensation de la baisse de la quantité de matière organique à valoriser.  • Minimum hydraulic residence time to avoid leaching of biomass An extension of the regulation to add the information emitted by the oxidation-reduction potential is envisaged in the future for a finer control of the metabolic pathways (types of acids). organic products). Indeed, first results not illustrated in this patent application clearly show the possibility of controlling the metabolic pathways expressed by acting on this parameter by an external injection of a gas. To avoid a drop in yield, controlling the co-fermentation of two and / or more substrates with different concentrations is also envisaged as a means of offsetting the decrease in the amount of organic matter to be recovered.
Les premiers résultats des essais réalisés avec des mélanges de gisements (Substrat 5) du tableau N°2 illustrent ce principe de contrôle. Le contrôle de ce mélange permet aussi un contrôle qualitatif des acides gras volatils à produire.  The first results of the tests carried out with deposit mixtures (Substrate 5) of Table 2 illustrate this principle of control. The control of this mixture also allows a qualitative control of the volatile fatty acids to be produced.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fermentation acidogène d'un substrat fermentescible par un consortium microbien dans un réacteur mono-étagé, ledit procédé étant destiné à fournir au moins un effluent fluide comprenant un mélange d'acides organiques présentant de deux à au moins cinq atomes de carbone et un effluent gazeux, caractérisé en ce que : ledit procédé comprend une étape de conduite avancée de la fermentation acidogène mise en œuvre grâce à un système de contrôle-commande permettant le maintien tout au cours de ladite étape de conduite avancée dans ledit réacteur mono-étagé : A method for the acidogenic fermentation of a fermentable substrate by a microbial consortium in a single-stage reactor, said method being for providing at least one fluid effluent comprising a mixture of organic acids having from two to at least five carbon atoms and a gaseous effluent, characterized in that: said process comprises an advanced step of conducting the acidogenic fermentation implemented by means of a control-command system allowing the maintenance during said advanced driving step in said single reactor; storied:
- de la charge volumique en matière organique à une valeur comprise entre 10 et - the volume load of organic matter to a value between 10 and
80 gDCO/Litre/jour ; 80 gDCO / Liter / day;
- du temps de séjour hydraulique (HRT) à une valeur comprise entre 0,5 jour et - the hydraulic residence time (HRT) to a value between 0.5 days and
4 jours ; 4 days ;
- du temps de séjour des matières particulaires (SRT) à une valeur comprise entre 0,5 jour et 7 jours ; et  - the particulate matter residence time (SRT) to a value between 0.5 days and 7 days; and
- de la température à une valeur comprise entre 20°C et 40°C et,  - the temperature to a value between 20 ° C and 40 ° C and,
- du pH à une valeur comprise entre 5 et 7.  - pH at a value between 5 and 7.
2. Procédé de fermentation acidogène selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système de contrôle-commande permet le maintien tout au cours de ladite étape de conduite avancée dans ledit réacteur mono-étagé : 2. Acidogenic fermentation process according to claim 1, characterized in that said control system allows the maintenance during said advanced driving step in said single-stage reactor:
- de la charge volumique en matière organique à une valeur comprise entre 30 et - the volume load of organic matter to a value between 30 and
6 gDCO/Litre/jour ; 6 gDCO / Liter / day;
- du temps de séjour hydraulique à une valeur comprise entre 1 jour et 3 jours ; - du temps de séjour des matières particulaires à une valeur comprise entre 1 jour et 4 jours  - the hydraulic residence time to a value between 1 day and 3 days; - the residence time of the particulate matter to a value between 1 day and 4 days
- de la température à une valeur comprise entre 30°C et 37°C et,  - the temperature to a value between 30 ° C and 37 ° C and,
- du pH à une valeur comprise entre 5,5 et 6,5.  - pH at a value between 5.5 and 6.5.
3. Procédé de fermentation acidogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les acides organiques dudit mélange d'acides organiques présentent de deux à cinq atomes de carbone ; et, de préférence les acides organiques dudit mélange d'acides organiques présentent de deux à six atomes de carbone. 3. Acidogenic fermentation process according to any one of the claims preceding, characterized in that the organic acids of said mixture of organic acids have from two to five carbon atoms; and, preferably, the organic acids of said mixture of organic acids have from two to six carbon atoms.
4. Procédé de fermentation acidogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite étape de conduite avancée comprend une phase d'adaptation dudit consortium microbien. 4. Acidogenic fermentation process according to any one of the preceding claims, characterized in that said advanced driving step comprises a phase of adaptation of said microbial consortium.
5. Procédé de fermentation acidogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit réacteur mono-étagé est utilisé en mode continu ou semi-continu. 5. Acidogenic fermentation process according to any one of the preceding claims, characterized in that said single-stage reactor is used in continuous or semi-continuous mode.
6. Procédé de fermentation acidogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite étape de conduite avancée de la fermentation acidogène est modulée en fonction d'une estimation continue et en temps réel de la concentration en acides organiques dans ledit réacteur mono-étagé à partir d'un ensemble de paramètres mesurés. 6. Acidogenic fermentation process according to any one of the preceding claims, characterized in that said step of conducting advanced acidogenic fermentation is modulated according to a continuous and real-time estimation of the concentration of organic acids in said reactor single-stage from a set of measured parameters.
7. Procédé de fermentation acidogène selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite estimation continue de la concentration en acides organiques est mise en œuvre par régression des moindres carrés partiels, ledit ensemble de paramètres comprenant des mesures en ligne de la conductivité électrique et des mesures en ligne de la pression partielle en dihydrogène et du débit dudit effluent gazeux. 7. Acidogenic fermentation process according to claim 6, characterized in that said continuous estimation of the organic acid concentration is carried out by partial least squares regression, said set of parameters comprising on-line measurements of the electrical conductivity and online measurements of the dihydrogen partial pressure and the flow rate of said gaseous effluent.
8. Procédé de fermentation acidogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit système de contrôle-commande comprend au moins un algorithme de logique floue. 8. Acidogenic fermentation process according to any one of the preceding claims, characterized in that said control system comprises at least one fuzzy logic algorithm.
9. Procédé de fermentation acidogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits acides organiques dudit mélange d'acides organiques présentent de deux à six atomes et, 9. Acidogenic fermentation process according to any one of the claims preceding, characterized in that said organic acids of said mixture of organic acids have from two to six atoms and,
la concentration desdits acides organiques présentant de deux à six atomes de carbone dans ledit effluent fluide est strictement supérieure à 15 g/L. the concentration of said organic acids having from two to six carbon atoms in said fluid effluent is strictly greater than 15 g / l.
10. Procédé de fermentation acidogène selon la revendication 9, caractérisé en ce que le rapport massique d'acides gras volatils présentant de quatre à six atomes de carbone par rapport auxdits acides gras volatils présentant de deux à six atomes de carbone est supérieur ou égal à 50% (masse, g/g). 10. Acidogenic fermentation process according to claim 9, characterized in that the mass ratio of volatile fatty acids having from four to six carbon atoms relative to said volatile fatty acids having from two to six carbon atoms is greater than or equal to 50% (mass, g / g).
11. Procédé de fermentation acidogène selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit substrat fermentescible et ledit consortium microbien présents dans ledit effluent fluide sont recirculés, au moins en partie, dans ledit réacteur après une séparation desdits acides organiques présentant de deux à au moins cinq atomes de carbone dudit effluent fluide. 11. Acidogenic fermentation process according to any one of the preceding claims, characterized in that said fermentable substrate and said microbial consortium present in said fluid effluent are recirculated, at least in part, in said reactor after a separation of said organic acids having two to at least five carbon atoms of said fluid effluent.
12. Installation (1) pour la mise en œuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 comprenant : 12. Installation (1) for carrying out a method according to any one of claims 1 to 11 comprising:
- un réacteur mono-étagé (10) et,  a single-stage reactor (10) and,
- un système de contrôle-commande (100, 110) comprenant un ensemble de capteurs (499, 500, 501, 502, 503, 504, 505, 506) et au moins un algorithme. a control system (100, 110) comprising a set of sensors (499, 500, 501, 502, 503, 504, 505, 506) and at least one algorithm.
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