1. Domaine de l'invention

Le domaine de l'invention est celui des procédés de fermentation acidogène.

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.

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.

L'invention concerne également des installations correspondantes. 2. Art antérieur

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.

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 »).

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 (CH ₄ , H ₂ ), 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.

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.

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.

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.

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.

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.

3. Objectifs de l'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.

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.

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.

4. Exposé de l'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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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( _AC ides ₎ /l-/jour. Dans le cas où la production d'AGVs est visée en particulier, il est exprimé en g( _A Gv ₎ /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.

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.

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.

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.

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.

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 »).

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.

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.

Les paramètres environnementaux mesurés en ligne sont notamment:

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 ;

la température : le contrôle de la température garantit que la fermentation est maintenue à un régime mésophile (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.

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 (CaC0 ₃ ) ou de carbonate de sodium (NaHC0 ₃ ) par exemple.

L'ajustement de la température peut être commandé par des moyens de chauffage ou des moyens de refroidissement.

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 :

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 ;

le débit et composition de l'effluent gazeux, notamment en C0 ₂ , H ₂ , CH ₄ : 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) ;

- la pression partielle en C0 ₂ 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 ;

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,

- 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.

En outre, afin de garantir des conditions anoxiques/anaérobie, de l'azote et/ou du dioxyde de carbone peuvent être ajoutés de manière contrôlée.

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.

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.

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.

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.

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.

La fraction liquide non recirculée dans le réacteur mono-étagé peut être envoyée vers une étape de récupération et de purification des acides organiques.

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.

5. Liste des 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 :

La Figure 1 représente de manière schématique une installation comprenant un réacteur mono-étagé CSTR pour la mise en œuvre de la présente 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.

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.

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 (H ₂ /C0 ₂ ). La variation des conditions de la charge organique est représentée en Figure 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, Na ₂ C0 ₃ , CaC0 ₃ et NH ₄ HC0 ₃ ). La variation des conditions de charge organique est représentée en Figure 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.

6. Description de modes détaillés de réalisation de l'invention

6.1 - Installation avec un réacteur mono-étagé de fermentation en mode

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.

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.

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 (C0 ₂ /N ₂ ) 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 CaC0 ₃ et/ou NaHC0 ₃ ). 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.

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.

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.

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.

Les systèmes de contrôle-commande 100, 110 comprennent un ensemble de capteurs répartis sur toute l'installation 1 et notamment :

- un capteur 499 pour mesurer la concentration en carbone organique totale (BioTector)

- des débimètres 500 ;

- des capteurs de niveau 501 ;

- des capteurs de pH/température 502 et de potentiel d'oxydo-réduction 505;

- un capteur de conductivité électrique/température 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

CH ₄ dans la phase gaz du réacteur mono-étagé 10, la concentration en C0 ₂ dans la phase gaz du réacteur mono-étagé 10; et,

- un capteur 506 pour mesurer la pression partielle en C0 ₂ dissous en sortie de réacteur mono-étagé 10.

L'installation 1 comprend également un ensemble de pompes et vannes (représentées, mais non-numérotées sur la Figure 1).

6.2 - Résultats expérimentaux avec différents substrats fermentescibles

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.

Les différents substrats fermentescibles testés ont été :

· Substrat 1 : très riche en sucres (> à 60% de la DCO totale) ; • Substrat 2 : riche en protéines (> à 50% de la DCO totale);

• Substrat 3 : composition mixte : sucres + protéines

• Substrat 4: composition mixte : sucres + protéines

• Substrat 5: composition mixte : Mélange substrats 1 et 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.

Le Tableau 1 présente le résumé des résultats obtenus pour les différentes ressources considérées :

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

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.

6.3-a Essai n°l (voir exemple 2 du tableau 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.

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.

6.3-b Essai 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.

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.

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

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.

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.

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,

D'une variation de la charge organique,

D'un lessivage de la biomasse,

D'un changement de la qualité du substrat sur la concentration en AGVs - De l'injection d'un gaz sur la production d'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.

6.5 Exemples d'algorithmes de contrôle-commande appliqués au procédé

Les principales caractéristiques des régulateurs de logique floue développés et prototypés en simulation et validés à échelle laboratoire sont reportées dans le

Tableau 2 présenté ci-dessous :

Test et

Type de Variables de Variables de

N° validation contrôleur mesures commande

expérimental

Conductivité,

Direct

Concentration H ₂ Débit

1 Fuzzy Logic

(gaz) d'alimentation Oui

Control

Débit de gaz

Direct

Conductivité Débit

2 Fuzzy Logic Oui

électrique d'alimentation

control

Estimation Conductivité

AGV et Concentration H ₂ Débit

3 Non

lactate (gaz) d'alimentation

Fuzzy Logic Débit de biogaz Control

PH

Fuzzy Logic Débit d'acide

4 Consommation de Non

control Débit de base

base

Tableau 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 :

1- Mesure de concentration en hydrogène dans la phase gaz ;

2- Mesure du débit de biogaz ;

3- Mesure de la conductivité électrique dans la phase liquide.

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. _H 2) (Figure 6B) et de conductivité électrique (C _mS / _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 L _H2 /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.

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.

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.

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:

· Les consignes minimales de débit d'hydrogène afin d'éviter une faible production d'acide butyrique

• Les limites maximales de conductivité électrique pour éviter la production d'acide lactique

• 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.

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.