PROCEDE DE MISE EN ŒUVRE

Domaine technique de l'invention

La présente invention porte sur un procédé de brassage lent à déplacement positif non destructeur pour un milieu fluide plus ou moins visqueux qui assure aussi éventuellement le rôle de vecteur thermique et favorise l'installation et le maintien d'une zone de bioturbation dans un bioréacteur.

État de la technique

Dans ce qui suit, nous allons tout d'abord présenter les modes de brassage et de chauffage, ainsi que d'activation biologique des bioréacteurs et fermenteurs, de type aérobies ou anaérobies.

Les bioréacteurs sont des écosystèmes artificiels qui installent, protègent, favorisent et maintiennent une activité biologique ciblée, le plus souvent microbienne, c'est à dire en présence de flores bactérienne, de levures voire des deux, dans une enceinte partiellement ou totalement fermée. Les fluides qui y sont contenus à effet de trophisme biochimique peuvent être plus ou moins visqueux, soit par nature soit du fait de leur évolution au sein du bioréacteur, mais dans la grande majorité des cas ils requièrent d'être brassé à effet d'homogénéisation pour permettre par exemple :

- La mobilisation verticale et horizontale de particules floculées à l'horizon sédimentaire afin d'intensifier ou de parfaire les trophismes tels que la bio oxydation.

- La sédimentation sélective de particules inertes dans une zone dédiée où leur évacuation régulière peut être favorisée

- D'une manière générale la création de turbulences lentes de type houle à amplitude moyenne et basse fréquence

- Une diffusion homogène de chaleur dans le substrat

- Des échanges homogènes et rapides ou intenses entre le substrat et la flore bactérienne, les réactifs biologiques, les enzymes et co-enzymes

- La diffusion de gaz biogéniques ou exogènes dans le substrat

- La séparation de phase solide / liquide

- La prévention de coalescences inhibantes telles que la formation de croûtes flottantes ou de sédiments solides. La capacité de brassage des dispositifs hydrauliques, telles que des pompes assurant une recirculation puissante des substrats, ou des dispositifs mécaniques telles que des plaques, hélices ou des grilles rotatives, n'est pas à mettre en question sur le plan de l'efficacité structurelle du brassage. Cependant quand les biomes microbiens subissent leurs effets les assemblages en nodules ou en grappes qui se forment sans exception dans un milieu biologiquement actif sont partiellement détruits ce qui certes augmente statistiquement ou géométriquement la diffusion des microbes dans un volume donné mais diminue aussi proportionnellement leur vitalité. En effet il est acquis que les architectures bactériennes se forment sur une base minimale de commensalismes et plus encore pour soutenir des symbioses fonctionnelles, de môme les levures requièrent la présence d'enzymes en position osmotique or la reconstruction de ces assemblages requiert de l'énergie et des matériaux, généralement des biofilms, et ces dépenses métaboliques se font au détriment du trophisme recherché sur le substrat. En ce qui concerne le chauffage, il est également très courant que ces substrats requièrent une régulation thermique précise, progressive et non destructrice qui est le plus souvent obtenue avec un système de type Bain Marie ou par injection d'un solvant neutre à température critique (de l'eau par exemple). Dans ces deux cas le gradient thermique entre la source chauffante en contact ou en intrusion et le substrat à chauffer doit être faible. Pour cela la masse du fluide caloporteur et les surfaces d'échange doivent être relativement importants, beaucoup plus par exemple qu'avec un thermoplongeur électrique. Il est en effet notoire que des températures élevées, généralement au-dessus de 70°C sont dommageables aux flores bactériennes or dans les zones de contact de thermoplongeur électrique ou de serpentins alimentés en vapeur cette température est rapidement atteinte et dépassée avec pour effet des dommages définitifs sur les paramètres biotiques et même sur la nature du substrat (par exemple réaction de MAILLARD)

Il existe bon nombre d'agro-industries, qui sont susceptibles d'être visées par l'Invention. Ces dernières usent de procédés qui doivent réunir les paramètres présentés ci-dessus, relatifs aux paramètres de chauffage et brassage respectueux des biomes microbiens et des levures. Il s'agit notamment des laiteries-fromageries, de la production de pâtes fermentées, des brasseries, de la vinification et par extension de toutes les unités de fermentation à basse température en milieu aérobie ou aérobie, notamment les lacto- fermentations à visée de conservation de légumes. L'alliance d'un brassage pulsé à déplacement positif non destructeur et d'un chauffage inertiel précis à faible gradient est particulièrement requise dans les dlgesteurs méthaniques anaérobie mésophiles ou thermophiles comme développé d-aprôs. Les procédés de traitement des eaux usées seront aussi avantageusement bénéficiaires de ce procédé pour créer avec ou sans apport thermique un effet de houle lente en fonds de bassin sur des systèmes à boue granulée ou simplement pour intensifier l'effet de microbullage à effet de bio-oxydation aérobie. L'alliance d'un brassage pulsé à déplacement positif non destructeur à effet de houle et d'un chauffage inertiel précis à faible gradient est particulièrement requise dans les digesteurs méthaniques anaérobie mésophiles ou thermophiles comme développé ci- après. En effet, le traitement de matières organiques par biodigestion est avant tout soumis à des contraintes biologiques que tentent de respecter les techniques qui visent à créer et maintenir un écosystème favorable pour les micro-organismes particuliers à ce type de biooxydation. En simplifiant on peut dire d'un biodigesteur qu'il accueille et entretient dans un bioréacteur des populations de microbes strictement anaérobies qui sont amenées à croître et à se reproduire sur un substrat organique constitué de matières liquides ou solides mises en solution. Pour l'essentiel ces populations microbiennes particulières développent une activité de bio-oxydation, mais en l'absence de l'oxygène de l'air. La réaction n'est possible que lorsque les trois communautés bactériennes typiques de ce trophisme constituent un écosystème équilibré de telle sorte que l'essentiel des équivalents réducteurs (atomes de carbone et d'hydrogène) produits comme déchets au cours de l'anabolisme bactérien (hydrolyse puis acidophile et acétogénèse) se retrouvent finalement dans le méthane (méthanogénèse). Les espèces bactériennes concernées sont complexes et relativement variées mais on connaît assez bien leurs caractéristiques biochimiques et les grands traits de leur écologie. Elles se classifient généralement en trois groupes: - Les bactéries hydrolytiques et fermentatives.

- Les bactéries acétogènes.

- Les bactéries méthanogènes.

La gestion de l'écosystème artificiel que constitue un bioréacteur anaérobie nécessite que l'on intervienne dynamiquement pour assurer certaines conditions physico-chimiques essentielles; telles que le pH, la température et le potentiel d'oxydoréduction et les besoins nutritionnels. La disponibilité en carbone digestible est notamment critique pour éviter des inhibitions fatales en présence d'acides gras volatile ou d'ammonium surnuméraires et pour optimiser la production de méthane. Le pH optimum de la digestion anaérobie se situe autour de la neutralité. Il est le résultat du pH optimum de chaque population bactérienne: celui des bactéries acidifiantes se situe entre 5,5 et 6, les acétogènes préfèrent un pH proche de la neutralité tandis que les méthanogènes ont une activité maximale dans une gamme de pH comprise entre 6 et 8. Toutefois, la méthanisation peut se produire dans des milieux légèrement acides ou alcalins.

L'activité du consortium méthanogène est étroitement liée à la température. Deux plages de températures optimales peuvent être définies : la zone mésophile (entre 35°C et 38°C) et la zone thermophile (entre 55°C et 60°C) avec une décroissance de l'activité de part et d'autre de ces températures. La majorité des espèces bactériennes a été isolée dans des environnements mésophiles, mais tous les groupes trophiques des étapes de digestion anaérobie possèdent des espèces thermophiles utilisant les mêmes voies métaboliques que les bactéries mésophiles avec des performances analogues ou supérieures. Il reste néanmoins possible de travailler à des températures différentes des optima avec des performances plus faibles.

En ce qui concerne le potentiel d'oxydoréduction, ce paramètre représente l'état de réduction du système, il affecte l'activité des bactéries méthanogènes. Ces bactéries exigent en effet, outre l'absence d'oxygène, un potentiel d'oxydoréduction inférieur à 330 mV pour initier leur croissance.

En ce qui concerne les besoins nutritionnels et métaboliques, comme tout microorganisme, chaque bactérie constituant la flore méthanogène demande un apport suffisant de macro-éléments (C, N, P, S) et d'oligo-éléments pour sa croissance. Les besoins en macro-éléments peuvent être évalués grossièrement à partir de la formule brute décrivant la composition d'une cellule (C5H903N). Pour les bactéries méthanogènes, le milieu de culture doit avoir des teneurs en carbone (exprimée en Demande Chimique en Oxygène (DCO)), en azote et en phosphore au minimum dans les proportions DCO/N/P égale à 400/7/1. L'ammonium est leur principale source d'azote. Certaines espèces fixent l'azote moléculaire alors que d'autres ont besoin d'acides aminés. Les besoins en azote représentant 11 % de la masse sèche volatile de la biomasse et les besoins en phosphore 1/5 de ceux de l'azote.

Les bactéries méthanogènes possèdent de hautes teneurs en protéines Fe-S qui jouent un rôle Important dans le système transporteur d'électrons et dans la synthèse de coenzymes. Aussi la concentration optimale de soufre varie-t-elle de 1 à 2 mM (mmol/L) dans la cellule. Cette flore utilise généralement les formes réduites comme le sulfure d'hydrogène. Les méthanogènes assimilent le phosphore sous forme minérale.

Certains oligo-éléments sont nécessaires à la croissance des méthanogènes. Il s'agit plus particulièrement du nickel, du fer et du cobalt. En effet, ce sont des constituants de coenzymes et de protéines impliquées dans leur métabolisme. Le magnésium est essentiel puisqu'il entre en jeu dans la réaction terminale de synthèse du méthane ainsi que le sodium apparaissant dans le processus chimio-osmotique de synthèse de l'Adénosine Tri- Phosphate (ATP).

Il existe des facteurs de croissance stimulant l'activité de certains méthanogènes : acides gras, vitamines ainsi que des mélanges complexes comme l'extrait de levure ou la trypticase peptone.

En conclusion si l'on maîtrise aujourd'hui correctement le «macro-modèle» qui simule un processus de biodigestion, au point que l'on peut prédire sommairement l'ampleur et la forme des productions méthaniques et de la composition d'un digestat, il n'en reste pas moins que les procédés sont difficiles à mettre en œuvre. En effet, si l'on veut traiter un effluent organique donné, la fraction fermentescible des déchets ménagers et assimilés ou certains déchets organiques industriels ou issus des secteurs agricoles, ou encore un mélange d'intrants (co-digestion) il faut à chaque fois dédier le processus pour atteindre la meilleure productivité car à chaque substrat correspond un écosystème microbiologique optimum et les créneaux de rendement biochimique sont étroits. En d'autre termes, l'objectif technique consiste à concevoir et à mettre en œuvre un digesteur méthanique à faible investissement et faibles coûts d'exploitation mais parfaitement versatile en termes de ressources bactériennes pour assurer une productivité méthanique élevée quelle que soit la variation des contraintes d'intrants. Différents procédés sont susceptibles de permettre la mise en œuvre d'un bioréacteur. D'une manière générale nous entendons qu'un bioréacteur sous condition anaérobie est un artefact qui tente d'optimiser les conditions de vie d'une colonie de micro-organismes donnés à un moment donné et / ou en un lieu donné afin de concentrer en un minimum de temps de rétention biologique, donc dans un volume de bioréacteur minimal, la production maximale de méthane qui résulte de la digestion des substrats mis en solution aqueuse ou plus généralement en absence d'oxygène gazeux. En simplifiant on peut dire qu'un biodigesteur est constitué de quatre composants majeurs:

- Une enceinte étanche et souvent calorifugée - Un dispositif d'agitation ou de brassage

- Un dispositif de chauffage des digestats

- Des dispositifs d'entrée sortie pour le substrat, le digestat et le biogaz.

Selon les procédés mis en œuvre on distingue deux grands types d'écosystèmes: - Biomasse fixée

- Biomasse libre.

Dans un digesteur à biomasse fixée, l'enceinte sert non seulement à contenir le substrat et l'isoler de l'air mais aussi à fixer des colonies bactériennes anaérobies sur des supports adaptés. Certaines techniques en phase liquide utilisent des cellules fixatrices autonomes qui sont Immergées dans le flux. D'une manière générale, l'avantage de ce procédé réside dans le maintien de la disponibilité des souches bactériennes malgré le transfert permanent ou séquentiel des flux de substrats traités, l'objectif recherché étant de n'avoir pas à redémarrer un ensemencement bactérien ou d'éviter de spécialiser la flore par apports chimiques. Plusieurs types de procédés fixant sont disponibles, certains par exemple granulent le substrat ou une partie du substrat entrant avant de l'ensemencer et le faire circuler dans l'enceinte du biodigesteur.

En règle générale, les opérations de bio-oxydation des déchets ou matières organiques doivent satisfaire plusieurs critères d'efficacité et de biosécurité que l'on opère en réalisant des réglages et des ajustements critiques. Ainsi, dans un digesteur à biomasse libre ou fixée on fait appel à des procédés de renforcement de la biomasse active qui résultent du réchauffage et de la circulation des jus et éventuellement d'apports en oligo-éléments et en correcteurs de pH. Le procédé est adaptatif et fait le pari de la capacité spontanée de la flore bactérienne à se spécialiser en fonction des contraintes du milieu, notamment en ce qui concerne la présence de nutriments en quantité importante. L'adaptabilité de la biomasse, laissée libre de quitter l'enceinte avec l'écoulement séquentiel ou continu des flux, et d'évoluer en fonction des contraintes de l'écosystème est renforcée par des actions «extérieures», thermiques (maintien en conditions mésophiles à 36°C ou thermophiles 55°C), chimiques (neutralisation des pH acides ou alcalins) et mécaniques (transferts, fluidification et brassage). En règle générale un biodigesteur nécessite donc soit un bon suivi des indications fouries par des capteurs, afin de permettre une réponse humaine de réglage en temps différé, soit sur l'analyse et le traitement automatique des signaux transmis par des capteurs Inférant en temps réel l'actionnement d'effecteurs.

Au-delà de la différenciation entre biomasse fixée et population libre, réglages manuels ou automatisés, on distingue aussi deux types de dynamique des flux, avec des systèmes à alimentation continue ou séquentielle :

- Chargement séquentiel

- Alimentation continue.

Les procédés à chargement séquentiel ont comme caractéristique majeure qu'ils cherchent à établir, dans la même enceinte pour une seule dose de substrat, la succession des phases majeures de la digestion méthanique. Pour le dire autrement on peut considérer que dans ce contexte les populations bactériennes évoluent sur un substrat Identique du début à la fin du cycle et n'ont donc pas besoin de dépenser de l'énergie pour s'adapter à des changements non attendus de leur écosystème, ce sont elles qui le transforment et non pas l'inverse. Ainsi dès lors que le chargement de la cuve est achevé, et il peut se faire en une journée comme en trois ou quatre, les conditions optimum de démarrage de la phase d'hydrolyse sont apportées (température, pH, nutriments, ensemencement). C'est ensuite le tour de la phase transitoire d'acidogénèse qui est régulée pour permettre le dédenchement de l'acétogénèse et enfin de la méthanogénèse. En théorie ce procédé présente l'intérêt d'avoir un Temps de Rétention Hydraulique (TRH) plus court que celui des protocoles en flux continu et d'être plus fadle à maîtriser. D'une manière générale il faut disposer de plusieurs cuves fonctionnant en parallèle qui sont activées l'une après l'autre au fur et à mesure de leur remplissage. En cas de dysfonctionnement d'une cellule on peut continuer le traitement avec les autres. Cest aussi un procédé où les cuves sont plus petites et qui acceptent généralement des substrats plus denses en matière sèche. Néanmoins, le chargement séquentiel oblige à multiplier les enceintes et les dispositifs annexes tels que les trémies de chargement, les valves et autres pompes. L'alimentation continue s'oppose strictement au chargement séquentiel sur plusieurs plans. D'abord parce que l'écosystème et particulièrement la flore bactérienne sont amenés à être polyvalents, ou plutôt à faire coexister dans la même enceinte et en même temps mais pas forcément dans la même zone du volume de bioréaction des bactéries et leurs co-enzymes pour les quatre phases du cycle. Ensuite parce que pour obtenir un TRH suffisant il faut dimensionner la cuve sur des volumes très importants ce qui entraîne des dépenses énergétiques proportionnelles pour maintenir une température adaptée (très rarement thermophile sauf sur de petites unités) et surtout pour brasser le mélange en continu afin d'éviter la formation d'une croûte en surface et de sédiments trop denses au fond de la cuve. Il faut néanmoins noter que ce procédé, très ancien puisque les biodigesteurs domestiques ou fermiers chinois sont majoritairement alimentés en continu, s'adapte bien aux micro-gisements de substrats organiques homogènes à très faible variabilité. En effet - avec des dimensions très faibles (quelques dizaines de m ³ ), des déchets de qualité et quantité stable, ils sont faciles à entretenir si tant est qu'on ne cherche pas à évacuer les sédiments en temps réel mais plutôt les flux en phase liquide ou turbide (éluats) qui peuvent être ensuite valorisés en épandage. Il n'en reste pas moins qu'après plusieurs cycles de fonctionnement ces petites unités doivent être arrêtées et vidangées de leurs sédiments qui à force de s'accumuler réduisent le volume utile de l'installation et nuisent au développement de la flore bactérienne. Seuls certains procédés industriels arrivent à produire en plus du biogaz, des flux très chargés dont on extrait par décantation et/ou essorage des digestats qui sont généralement difficilement valorisables en tant que fertilisant biologique. L'avantage de ce procédé, au niveau industriel ou domestique, réside donc essentiellement dans sa capacité à accepter un flux continu de déchets ou d'effluents à faible charge organique avec des productions de biogaz moyennes mais une valorisation possible des effluents extraits et plus difficilement de la fraction « solide » des digestats.

Sur la base de ce que nous venons de décrire, deux types majeurs de procédés continuent de se concurrencer, l'infiniment mélangé et la séparation de phases :

- Phase unique - Phases différenciées.

Dans le premier cas, que le biodigesteur soit de type séquentiel ou continu, à biomasse fixée ou libre, l'ensemble des phases se déroule dans la même enceinte. Ce sous-système est soit gravitaire (sédimentation) soit à contre flux et ce type de digesteur est largement majoritaire. Les variations technologiques fondamentales concernent les modalités du mélange séquentiel ou linéaire des substrats (brassé par opposition à pulsé par opposition à Infiniment mélangé), les modalités d'introduction des substrats et d'extraction des digestats et éluats.

Dans le second cas et en théorie, chacune des quatre phases peut être confinée dans une cuve distincte et le passage du substrat modifié à l'issue de chaque phase vers la suivante est assuré par un système mécanique ou hydraulique. En réalité l'état de l'art favorise nettement les systèmes bi-phase au sein desquels hydrolyse et addogénôse sont confinées dans une première enceinte alors que l'acétogénôse la méthanogénèse sont assurés ensemble dans la seconde enceinte. Le but recherché par ces procédés multiphases est de mieux gérer les phases individuellement en jouant sur les micro- conditions optimisant ces différents écosystèmes. Plus complexes et coûteux, les procédés à phases différenciées ont néanmoins un meilleur rendement en termes de biodégradabilité notamment pour des substrats qui requièrent une forte spéciation enzymatique et / ou un environnement chimique ou thermique particulier. Par contre pour un flux de déchets homogènes dans le temps et d'une composition n'offrant pas de risques particuliers (surtout au stade de l'acétogénèse) il est généralement considéré que ce procédé n'apporte pas de valeur ajoutée suffisante pour légitimer la complexité et l'investissement requis.

Enfin, on fait la distinction entre trois types de biodigesteurs selon la concentration de Solides Totaux mis en Suspension (STS) dans les flux, c'est à dire la proportion de matière sèche (MS) mise en solution dans le digesteur:

- Faible concentration de MS avec moins de 10% de STS,

- Concentration moyenne de MS contenant entre 10% et 20%, de STS

- Haute concentration en MS contenant plus de 20% de STS.

Les applications du principe de la biodigestion de flux à faible teneur en STS ont comme intrants principaux des effluents industriels ou domestiques, comme c'est le cas pour les stations de traitement des eaux usées. Les biodigesteurs qui s'appliquent à traiter ce flux ont une configuration particulière, le principe consiste à utiliser le blodigesteur comme une cuve de sédimentation où les STS sont retenus et traités par voie anaérobie alors qu'un flux d'eau épuré s'en échappe. Plus clairement dit, le Temps de Rétention Biologique (TRB) des STS y est plus important que celui du flux entrant (TRH) car le blodigesteur intègre un système de décantation passive ou active et un système de rétention / dégradation anaérobie des MS digestibles. En tant que tel ces biodigesteurs sont impropres au traitement des déchets organiques solides sauf à ce que ces derniers soient broyés et mis en solution avec des effluents qui constitueront toujours la majorité de Cintrant. Sous ces protocoles, la production de biogaz et de méthacompost (en l'occurrence sous forme de boues) est relativement faible mais leur capacité d'épuration primaire d'un effluent est très bonne et leur bilan énergétique s'équilibre avec la cogénération du biogaz. Éventuellement la productivité de ces sous- systèmes s'améliore avec la revente des liqueurs de digestats (éluats) en tant que fertilisants organiques liquides. Les charges volumiques maximales applicables sont de l'ordre de 2 à 5 kg de DCO/m ³ /j.

Le type de biodigesteur à concentration moyenne en STS est le plus courant, sous cette configuration un substrat digestible solide est mis en solution dans 2 fois à 3 fois son poids en eau. Cette modalité de masse volumique en matière organique mise en solution correspond à une recherche d'équilibre entre la quantité de matière digestible, sa viscosité et sa coalescence dans l'enceinte du digesteur et la capacité du milieu anaérobie à abriter et maintenir des populations bactériennes sans risquer leur inhibition par voie de saturation biochimique. En effet, pour que l'activité bactérienne opère dans les meilleures conditions il est nécessaire que le digestat ne se compacte pas tant qu'il peut être mobilisé au fur et à mesure des différentes phases de la biodigestion. Ce procédé s'adapte donc au traitement de la fraction digestible des déchets organiques solides sous réserve d'un tri efficace en amont pour évacuer les indésirables et d'un broyage relativement fin qui autorise le transfert hydraulique de la masse digestible et la prolifération d'une forte diversité bactérienne. Plus approprié aux procédés à chargement continu que séquentiel le principe de la concentration moyenne en MS profite particulièrement des systèmes à biomasse fixée car le flux de substrat a un débit suffisamment important pour appauvrir les flores résidentes. D'une manière générale, les charges volumiques à appliquer peuvent atteindre 15 à 20 kg DCO/m ³ /j Les temps de séjour hydraulique varient entre 4 et 5 semaines. Sous cette configuration les rendements en biogaz sont bons et la production de méthacompost sous forme de matière fibrée sédimentée est correcte mais nécessite pour le moins une décantation si ce n'est une centrifugation.

Certains gisements de déchets organiques sont constitués d'une fraction solide importante avec une digestibilité faible. En clair la masse de MS est importante mais la proportion de Matière Organique Volatile (MOV) sur la MS est peu importante. Dans la mesure où l'on ne peut valablement concentrer la MOV de ces déchets il est opportun de disposer d'une technologie qui autorise leur traitement par voie anaérobie et certains biodigesteurs sont conçus pour ce type d'application. Ils sont dits à Haute concentration en MS.

La spécificité de ces applications réside dans le mode d'avancement et de brassage du substrat et dans le fait qu'il s'agit presque exclusivement de bioréacteurs à chargement séquentiel et à biomasse libre, mais avec ensemencement. D'une manière générale, il fout noter qu'au-delà d'un certain seuil de teneur en MOV, il existe un risque de surcharge qui peut entraîner une inhibition de la méthanogénèse ce qui est surtout valable pour les déchets riches en protéines animales (carcasses et graisses). De plus les charges volumiques à appliquer peuvent atteindre 40 kg DCO/m ³ /j Les temps de séjour hydraulique varient entre 2 et 3 semaines.

Il faut ainsi prendre en compte le fait qu'au-delà de 3 g / L, l'ammonium (NIV) est un inhibiteur de la méthanogénèse. On sait aussi que cette limite de 3 g / L de NHV ne doit pas être dépassée pour des déchets dont le rapport C / N est égal ou inférieur à 20 avec un taux de MOV de l'ordre de 60% de la MO.

La technique la plus pratiquée pour maintenir les substrats organiques en deçà de ce seuil consiste à mélanger les déchets trop riches en protéines (viscères, poisson, produits laitiers, carcasses et autres déchets camés) avec des substrats carbonés. L'alternative à l'approche par régulation du mélange consiste à abattre le taux de MOV des déchets (surtout la proportion d'ammonium) en les soumettant à une phase préalable de fermentation aérobie thermophile intense, mais celle-ci requiert de toute façon que les déchets camés soient mélangés à des substrats carbonés.

Pour conclure, quel que soit le procédé de digestion méthanique retenu, trois paramètres contribuent fortement à assurer une productivité biologique satisfaisante et une faisabilité économique avérée :

- le brassage en déplacement positif non destructeur des digestats en cours de maturation anaérobie en présence de colonies bactériennes et de leurs commensaux et de ressources enzymatiques ce qui est particulièrement acquis lorsqu'une zone de bioturbation active est maintenue dans le digesteur

- le traitement des digestats pour les rendre valorisables sans risque environnemental ou biologique en tant que biofertilisant, ce qui est généralement achevé après séparation de phase liquide / solide et maturation aérobie thermophiles - la disponibilité de carbone organique digestible sous une forme progressivement mobilisable afin de rester toujours en dessous du seuil d'inhibition en AGV et ammonium.

Parmi l'état de la technique connu, on citera tout d'abord le brevet français 2 530486. Ce dernier décrit l'immersion d'une membrane souple dans un fluide, laquelle présente des ouvertures permettant le passage du fluide d'un côté à l'autre. Cette solution ne permet pas d'apporter une réponse satisfaisante, aux problématiques présentées ci-dessus.

On citera également le document chinois 101 787 344, lequel enseigne d'immerger une enveloppe dans un réacteur, puis d'en faire varier le volume pour agiter le milieu réactionnel. Cependant l'enseignement de ce document est imparfait en ce sens que la solution, qui y est présentée, est décrite en référence à des dessins qui sont uniquement de type schématique. Par conséquent, l'homme du métier n'est pas à môme d'en déduire des dispositions constructives viables sur le plan industriel. En tout état de cause, la solution présentée dans ce document n'est pas susceptible d'apporter des avantages techniques à des réacteurs, dont les conceptions sont significativement différentes les unes des autres.

Cela étant précisé, l'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique tel que présenté ci-dessus.

L'invention vise en particulier à proposer un système de brassage pour un bioréacteur, dont l'apport en termes de productivité biologique est significatif tout en présentant une structure mécanique relativement simple ainsi qu'une mise en œuvre commode. L'invention vise également à proposer un tel système de brassage susceptible de s'adapter à différentes conceptions structurelles de ce bioréacteur et des espèces réactionnelles qu'il contient, notamment en favorisant la fluidité des sédiments de fond de cuve afin de faciliter leur extraction par pompage. L'invention s'attache aussi à proposer un système de brassage dont l'effet de houle peut être facilement régulé en amplitude et en fréquence par l'homme du métier, en intervenant en particulier sur des dispositifs hydrauliques extérieurs au bioréacteur.

L'invention vise également à proposer un tel système, dont l'effet de brassage s'accompagne d'un effet technique significatif, sur le plan thermique. Enfin, l'invention vise également à proposer un tel système de brassage dont le prix de revient soit peu élevé, notamment du fait qu'il est composé d'éléments mécaniques disponibles de manière courante. Objets de l'Invention

Au moins un des objectifs ci-dessus est atteint par l'intermédiaire d'un système de brassage destiné à équiper notamment un bioréacteur mis en œuvre en particulier dans des laiteries- fromageries, des unités de production de pâtes fermentées, des brasseries, des unités de vinification ou encore des unités de fermentation à basse température en milieu aérobie ou aérobie, notamment des unités de lacto-fermentations à visée de conservation de légumes, des stations de traitement des eaux usées, des bassins de pisciculture avec ou sans régulation de température (en chaud ou en froid), ce système de brassage permettant d'agiter des espèces réactionnelles qui sont admises dans un volume réactionnel du bioréacteur caractérisé en ce que ce système de brassage comprend

- au moins une enceinte de brassage (2,3), de type souple et étanche, dont chacune est destinée à être immergée en tout ou partie dans ledit volume réactionnel

- des moyens (4) de réception d'un fluide dit de remplissage, le volume extérieur de chaque enceinte étant variable en fonction du volume de fluide de remplissage admis dans cette enceinte,

- des moyens (5,50, 51,7, 70,71) de transfert du fluide de remplissage, qui sont aptes à assurer d'une part une circulation du fluide de remplissage, de préférence en circuit fermé, entre les enceintes (2,3) de brassage et les moyens (4) de réception du fluide de remplissage, et d'autre part à faire varier le volume du fluide de remplissage admis dans chaque enceinte de brassage.

Selon d'autres caractéristiques du système de brassage conforme à l'Invention, qui peuvent être prises isolément ou selon toute caractéristique techniquement compatible pour l'homme du métier : - le fluide de remplissage est un liquide caloporteur, en particulier de l'eau ou un liquide équivalent en termes de paramètres d'agressivité.

- le système de brassage comprend au moins deux enceintes de brassage (2,3), et dans lequel les moyens (5,50, 51,7, 70,71) de transfert du fluide de remplissage sont aptes à augmenter le volume du fluide de remplissage dans une première enceinte (2) tout en diminuant le volume du fluide de remplissage dans une seconde enceinte (3), puis à diminuer le volume du fluide de remplissage dans la première enceinte tout en augmentant le volume du fluide de remplissage dans la seconde enceinte.

- l'enceinte souple et étanche (2,3) comprend une peau intérieure (25) et une peau extérieure (26), la peau extérieure présentant une résistance élevée vis-à-vis des liquides agressifs et matières caractéristiques des espèces réactionnelles, alors que la peau intérieure présente une résistance plus basse vis-à-vis du fluide de remplissage, lequel peut être de l'eau ou un fluide caloporteur.

- la peau extérieure (26) est pourvue d'un revêtement (27) formé par des fibres réparties de manière à former un tapis souple, susceptible de favoriser la fixation de biomasse bactérienne dans la cuve.

- les moyens de transfert comprennent, pour chaque enceinte de brassage, deux conduites distinctes dont l'une (50,51) permet l'arrivée du fluide de remplissage depuis les moyens de réception (4) vers ladite enceinte (2,3), et dont l'autre (70,71) permet la sortie du fluide de remplissage depuis ladite enceinte vers les moyens de réception. - les moyens de réception (4) comprennent un réservoir de stockage (4) dudit fluide de remplissage, ce réservoir étant équipé de moyens de chauffage de ce fluide.

- le système de brassage comprend également des moyens (8,80) de commande de la température du fluide de remplissage, qui sont aptes à maintenir la température du volume réactionnel dans une gamme de valeurs appropriée. - le volume extérieur maximal de chaque enceinte de brassage est compris entre 1 et 10 mètres cubes.

- ce système de brassage comprend en outre des moyens additionnels de commande, qui sont destinés à commander les moyens de transfert.

- le système de brassage comprend en outre des moyens de fixation (16,17) de chaque enceinte par rapport aux parois d'une cuve du bioréacteur, au niveau du fond et le cas échéant au niveau des parois latérales.

- les moyens de fixation comprennent un cadre rigide apte à maintenir des bordures renforcées, appartenant aux enceintes souples, en contact étanche avec le fond et avec les parois de la cuve, afin d'éviter toute intrusion substantielle de matières ou de liquides sous les enceintes souples.

- ce système de brassage comprend en outre des moyens d'injection d'un gaz sous pression, de type biogaz ou dioxyde de carbone, permettant d'assurer un micro bullage tangentiel à la surface extérieure de chaque enceinte. L'invention a également pour objet un bioréacteur (I) mis en œuvre en particulier dans des laiteries-fromageries, des unités de production de pâtes fermentées, des brasseries, des unités de vinification ou encore des unités de fermentation à basse température en milieu aérobie ou aérobie, notamment des unités de lacto-fermentations à visée de conservation de légumes, des stations de traitement des eaux usées, des bassins de pisciculture avec ou sans régulation de température (en chaud ou en froid), ce biorêacteur comprenant - au moins une cuve (1 ) définissant un volume réactionnel (V1 )

- des moyens d'entrée (11) d'espèces réactionnelles, qui sont aptes à participer à une réaction de type biochimique, à l'intérieur du volume réactionnel, ainsi que des moyens de sortie (12,13) de produits de la réaction,

- un système de brassage (2,3) permettant d'agiter les espèces réactionnelles qui sont admises dans le volume réactionnel, caractérisé en ce que ce système de brassage est tel que d-dessus.

L'invention a enfin pour objet un procédé de mise en œuvre d'un biorêacteur d-dessus, procédé dans lequel : on admet des espèces réactionnelles dans l'espace réactionnel on admet du fluide de remplissage dans au moins une enceinte de brassage on réalise un transfert du fluide de remplissage vers cette enceinte et/ou en dehors de cette enceinte, de manière à faire varier le volume extérieur de cette enceinte et ainsi à brasser les espèces réactionnelles.

Selon d'autres caractéristiques de ce procédé, prises isolément ou selon toute caractéristique compatible techniquement pour l'homme du métier :

- on admet le fluide auxiliaire à une température supérieure à la température des espèces réactionnelles. - on affecte au volume de chaque enceinte au moins deux, en particulier trois valeurs stables, à savoir minimale, intermédiaire et, le cas échéant, maximale.

- on réalise au moins un cycle élémentaire de brassage comprenant

- une première étape dans laquelle on augmente le volume du fluide de remplissage dans la première enceinte, en particulier jusqu'à une valeur maximale, tout en diminuant le volume du fluide de remplissage dans la seconde enceinte, en particulier jusqu'à une valeur minimale ; et

- une seconde étape dans laquelle on diminue le volume du fluide de remplissage dans la première enceinte, en particulier jusqu'à une valeur minimale, tout en augmentant le volume du fluide de remplissage dans la seconde enceinte, en particulier jusqu'à une valeur maximale, ce cycle élémentaire étant le cas échéant répété. DESCRIPTION DES FIGURES

L'invention va être décrite ci-après, en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels : [Fig. 1] est une vue schématique, illustrant les différents éléments constitutifs d'un bioréacteur qui est équipé d'un système de brassage conforme à l'invention.

[Fig. 2] est une vue schématique, analogue à la figure 1, illustrant une première étape de mise en œuvre du bioréacteur ci-dessus.

[Fig. 3] est une vue schématique, analogue à la figure 1, illustrant une deuxième étape de mise en œuvre du bioréacteur ci-dessus.

[Fig. 41 est une vue schématique, analogue à la figure 1 , illustrant une troisième étape de mise en œuvre du bioréacteur d-dessus.

[Fig. 51 est une vue schématique, illustrant à plus grande échelle une partie d'une enceinte souple appartenant au système de brassage ci-dessus.

Le bioréacteur illustré sur les figures, qui est désigné dans son ensemble par la référence I, comprend tout d'abord une cuve 1. Dans l'exemple illustré, il s'agit d'une cuve unique mais, comme on le verra par la suite, on peut prévoir d'utiliser plusieurs cuves mutuellement mises en communication. La paroi 10 de cette cuve délimite un volume réactionnel V1. À cet effet il est prévu des moyens d'entrée 11 permettant l'admission d'espèces réactionnelles, qui sont aptes à partidper à une réaction de type biochimique à l'intérieur de ce volume réactionnel.

Par ailleurs des moyens de sortie 12 permettent d'évacuer, hors du volume réactionnel, les substrats digérés de façon sensiblement complète tors de la réaction. De façon connue en soi, ces moyens de sortie peuvent communiquer vers des moyens de séparation, de type classique, qui permettent de séparer une fraction solide et une fraction liquide. De plus la cuve est munie d'un toit 13, permettant de collecter une fraction gazeuse de la réaction, en particulier du bio gaz. Ces éléments structurels 10 à 13 ne font pas partie de l'invention, de sorte qu'ils sont ne seront pas décrits plus en détail dans ce qui suit.

Dans l'exemple illustré, la paroi 10 de la cuve délimite un unique compartiment réactionnel. Cependant, à titre de variante non représentée, on peut prévoir que cette paroi définit plusieurs compartiments. Dans cet esprit il est avantageux que l'architecture de ces compartiments permette la création et le maintien d'une zone de bioturbation. Une telle architecture peut, par exemple, être conforme à l'enseignement du brevet français 3045 594 au nom de la demanderesse.

Le bioréacteur comprend en outre un système de brassage conforme à l'Invention, qui permet d'agiter les espaces réactionnelles admises dans le volume réactionnel, selon un mouvement de houle dont la fréquence et l'amplitude sont variables et contrôlables. Comme on le verra dans ce qui suit, ce système de brassage est apte à conférer une dynamique adaptée à la réaction biochimique recherchée.

Conformément à un élément essentiel de l'invention, ce système de brassage comprend tout d'abord au moins une enceinte de brassage, de type souple et étanche. L'exemple illustré fait appel à deux enceintes distinctes 2 et 3 de ce type étant entendu que, comme cela sera détaillé d-après, un nombre différent d'enceintes peut être utilisé.

Des enceintes souples et étanches sont déjà connues de l'état de la technique, par exemple du brevet français 2 787438. Dans ce document chaque enceinte comprend une enveloppe, laquelle est formée par une peau intérieure destinée à contenir de l'eau, ou un liquide équivalent en termes de paramètres d'agressivité. Par ailleurs cette enveloppe comprend une peau extérieure dont la résistance est nettement plus élevée que celle de la peau intérieure, puisque cette peau extérieure est destinée à entrer en contact avec des liquides dans l'agressivité est significativement plus élevée.

Conformément à l'invention, chaque enceinte 2 et 3 présente une structure, dont on peut dire qu'elle est inversée par rapport à l'état de la technique décrit dans le paragraphe précédent. Cette différence est illustrée de manière schématique sur la figure 5, qui représente l'enveloppe 20 de l'enceinte 2, étant entendu que l'enveloppe 30 de l'enceinte 3 est identique. En substance cette enveloppe 20 se compose d'une peau intérieure 25, laquelle est destinée à entrer en contact avec un fluide de remplissage. De manière avantageuse, ce fluide de remplissage est un liquide caloporteur, typiquement de l'eau ou un liquide équivalent en termes de paramètres d'agressivité et de masse volumique. Par conséquent, cette peau intérieure présente une résistance relativement faible aux agressions.

En revanche, la peau extérieure 26 de cette enveloppe 20 est destinée à entrer en contact avec des fluides nettement plus agressifs, en particulier des effluents organiques agressifs. Par conséquent elle présente une résistance aux agressions, qui est bien supérieure à celle de la peau Intérieure 25. Cette peau extérieure 26 est avantageusement pourvue d'un revêtement 27, représenté de manière schématique, lequel est formé par des fibres dites libres et courtes, dont la rigidité est variable. Ces fibres sont réparties de manière à former un tapis souple, susceptible de favoriser la fixation de biomasse bactérienne dans la cuve.

La différence ci-dessus mise de côté, la fabrication de ces enceintes 2 et 3 est sensiblement identique à celle des enceintes de l'art antérieur, notamment décrites dans le brevet français ci-dessus. Les enveloppes 20 et 30 sont typiquement composées de toiles spéciales en fibres plastiques tissées, généralement enduites de polychlorure de vinyle PVC. Ces enveloppes sont assemblées de façon connue en soi, par tous moyens appropriés, en étant notamment soudées et cousues.

Ces enceintes présentent des caractéristiques mécaniques, qui sont susceptibles de les rendre résistantes à des pressions externes élevées. Dans cette optique, elles peuvent notamment résister à des efforts exercés par des engins agricoles. À titre d'exemples non limitatifs, elles peuvent présenter une résistance à une pression de colonne d'eau de 8 m maximum, soit 0.8 bar. Outre cette résistance mécanique, ces enveloppes sont susceptibles de résister durablement à des températures relativement élevées, qui sont celles intervenant dans le cadre de la mise en œuvre des dlgesteurs méthaniques.

Ces enceintes peuvent adopter une large gamme de variantes géométriques, qui leur confère une possibilité d'adaptation dans des cuves présentant des architectures différentes. On citera par exemple une géométrie orthogonale, de type carré, rectangle ou encore triangle rectangle. On citera également une géométrie en forme de disque, ou bien d'une portion de disque.

Du fait de leur caractère souple, ces enceintes 2 et 3 sont susceptibles d'adopter, de manière stable, des tailles différentes. Lorsqu'elles sont gonflées de façon maximale, leur taille peut être comprise entre 1 et 10 mètres cubes. La limitation de volume est plus particulièrement liée aux débits des pompes qui les alimentent, lequel doit être relativement élevé pour assurer le mouvement de houle requis pour un brassage efficace. Par ailleurs, on peut prévoir au moins une autre configuration de plus faible taille. Dans l'exemple illustré, chaque enceinte est susceptible de présenter une taille dite minimale qui correspond par exemple à environ un tiers de la taille maximale, ainsi qu'une taille dite intermédiaire qui correspond par exemple à environ deux tiers de la taille maximale. Au-delà de la contrainte de dimensionnement des pompes qui desservent ces enceintes, le paramétrage dimensionnel des enceintes dépend essentiellement du volume des cuves, de leur diamètre, de la surface de fond de cuve, mais surtout de la hauteur de la colonne de digestats dans les cuves. Ces contraintes relèvent de la faisabilité technique du procédé, de sorte que la solution la plus prudente et la moins coûteuse pour contourner ces contraintes est de préférer des enceintes gonflables de petite taille disposées côte à côte. Dans cet esprit, la dimension maximale de chaque enceinte n'excède pas un volume de l'ordre de 10 m ³ . De manière avantageuse, chaque enceinte est fixée sur la cuve 10. De façon préférée, on prévoit un système de fixation sur le fond 14 de la cuve. Ce système de fixation, qui est illustré de manière schématique en étant effecté de la référence 16i est de tout type approprié. Dans cet esprit, on peut par exemple choisir d'utiliser un cadre tubulaire ancré en fond de cuve par des boulons qui traversent la marge périphérique des enceintes. Par ailleurs, on peut également prévoir d'utiliser un système similaire de fixation mais installé sur la paroi latérale 15 de cette cuve. La fixation de l'enceinte, par rapport à la cuve, permet d'éviter la flottation éventuelle de cette enceinte. Ce phénomène peut notamment intervenir lorsque le poids de l'enceinte, gonflée du liquide de remplissage, est inférieur à celui des espèces réactionnelles contenues dans le digesteur. Cette fixation permet en outre de déployer de manière satisfaisante l'enceinte, lors des différentes phases de mise en œuvre, tout en prévenant l'immixtion de digestats entre le fond de cuve et les enceintes de brassage.

Le système de brassage conforme à l'invention comprend en outre un ballon 4, permettant la réception du liquide de remplissage, destiné à alimenter les enceintes 2 et 3. Ce ballon 4 est mis en échange de chaleur, par un échangeur 40 de tout type approprié, avec une réserve 41 contenant un fluide caloporteur, typiquement de l'eau chaude. À cet effet une ligne 42, équipée d'une électrovanne 43, s'étend entre cette réserve 41 et cet échangeur 40. En aval de cet échangeur, une ligne supplémentaire 44 assure le recyclage de tout ou partie du fluide caloporteur, en direction de la réserve 41. Cette réserve est de tout type approprié, connu en soi : on citera à titre non limitatif la cuve de chauffe d'un bain-marie, une chaudière alimentée au bio méthane ou au bio gaz, une station solaire thermique ou mixte photovoltaïque et thermique, un système passif de récupération de la chaleur sur les parois d'un silo de compostage en zone thermophiles, ou encore toute combinaison des dispositifs listés immédiatement ci-dessus. Le système de brassage conforme à l'invention comprend en outre des moyens de transfert du liquide de remplissage, mentionné ci-dessus. Le ballon 4 est tout d'abord mis en communication avec chaque enceinte, par ce liquide de remplissage. À cet effet, il est prévu une ligne principale d'admission 5 s'étendant immédiatement en aval du ballon, laquelle débouche dans des lignes d'admission dérivées 50 et 51, dont chacune est raccordée au volume intérieur d'une enceinte respective. La ligne principale 5 est équipée d'un capteur de température 52 de tout type approprié, ainsi que d'un débitmètre 53. Par ailleurs, chaque ligne dérivée et équipée d'une électrovanne respective 54,55. II est en outre prévu une pompe 6, permettant de déplacer le liquide de remplissage le long des lignes 5,50 et 51. De manière avantageuse cette pompe 6 est capable de mouvoir le liquide de remplissage qui pourra atteindre une température de 60°C avec un paramétrage de pression barométrique adapté à la configuration des enceintes souples sur la base suivante (sans inférer des pertes de charges) : - Dp=(Vi-Vm)/T, où Dp est le débit nominal de la pompe donné en m ³ /h, Vi est volume intermédiaire d'une citerne souple, Vm est le volume minimal d'une citerne souple et T la durée exprimée en heure retenue pour passer de l'état Vm à l'état Vi.

- Pp=((p.Hs)/10).1,25, où Pp est la pression de service nominale de la pompe donnée en bar (10 m de cotonne d'eau) (avec un facteur de prudence de 1,25) que doit délivrer la pompe, p est la masse volumique des digestats, Hs la hauteur de la colonne de digestats au-dessus de la surface des ballons gonflables immergés au stade Vm.

Par ailleurs, différentes conduites permettent le retour du liquide de remplissage, depuis chaque enceinte 2 et 3 vers le ballon 4. À cet effet, deux lignes dérivées dites de retour sont raccordées sur les enveloppes des enceintes. Ces lignes dérivées 70 71 débouchent dans une ligne de retour dite principale, laquelle est mise en communication avec le ballon 4. Chaque ligne dérivée 7071 est équipée d'une électrovanne 7273, ainsi que d'une vanne de décompression 7475. Par ailleurs, la ligne principale 7 est équipée d'un débitmètre 76, ainsi que d'une électrovanne 77. Comme on l'a vu ci-dessus, les différentes lignes dérivées 50,51 , 70 71 sont raccordées sur les enveloppes des enceintes de brassage. La connexion mécanique de ces lignes, au niveau de ces enveloppes, est réalisée de façon connue en soi. On pourra par exemple utiliser la solution, décrite dans le brevet français 2787438 susmentionné. Le paramétrage de la pompe est aussi dépendant du volume maximal et minimal des enceintes qui détermine l'amplitude de leur variation de volume et de la fréquence de cette variation qui s'exprime en termes de débit. Ainsi pour une enceinte de 1 m ³ de remplissage maximum et 0,25 m ³ de remplissage minimum, soit une amplitude théorique totale de 0,75 m ³ avec une fréquence de 30 s soit 0,03 Hz II faudra calculer le débit de la pompe comme suit: L'amplitude réelle à prendre en compte est de (0,75 m ³ + 0,25 m ³ ) / 2 car lorsque le liquide de remplissage de la première enceinte se dévide dans la seconde enceinte sous l'effet de la pression des espèces réactionnelles contenues dans le bioréacteur l'équilibre sera atteint quand chaque enceinte contiendra 0,5 m ³ . La pompe devra donc mobiliser 0,25 m ³ pour amener le remplissage de la seconde enceinte à 0,75 m ³ . La mise en équilibre par voie gravitaire, sans pompage pourra prendre 10 secondes et si l'on veut que le transfert s'effectue en 30 secondes. La pompe devra donc mobiliser 0,25 m ³ en 20 secondes soit 45 m ³ /h. Le pompage peut aussi intervenir pendant la phase d'équilibrage gravitaire ce qui raccourcira sensiblement la durée de cette phase. Enfin le système de brassage conforme à l'invention comprend avantageusement des moyens de commande, lesquelles incluent tout d'abord une unité de commande 8, représentée de manière schématique. Cette unité se trouve tout d'abord en communication, via une ligne 81, avec un capteur de température 80, lequel est immergé dans le volume réactionnel de la cuve. Par ailleurs cette unité de commande 8 est connecté, via des lignes respectives 82 et 83, avec les débitmètres décrits ci-dessus. Enfin cette unité 8 est apte à commander les différentes électrovannes décrites ci-dessus, par l'intermédiaire de lignes de commandes qui ne sont pas représentées.

Un exemple de mise en œuvre du bioréacteur 1 équipé d'un système de brassage conforme à l'invention, tel que décrit ci-dessus, va maintenant être présenté, notamment en référence aux figures 1 à 4.

On admet dans un premier temps les espèces réactionnelles au sein de l'espace réactionnel, par l'intermédiaire de la conduite 11. Par ailleurs, on remplit chaque enceinte 2 et 3 au moyen de liquide de remplissage, via les lignes successives 5, puis 50 et 51. L'instant où est opéré le remplissage initial est globalement indifférent, car il s'agit d'un système en alimentation continue.

Dans un premier temps on suppose que, comme cela est montré sur la figure 1, chaque enceinte est remplie environ de moitié, de manière à adopter la configuration intermédiaire présentée ci-dessus. On suppose ensuite que, selon l'invention, on souhaite réaliser un brassage des espèces réactionnelles primitivement admises dans le volume intérieur V1. Le brassage est séquencé en amplitude et en fréquence dans un automate, une session de brassage pouvant durer jusqu'à 20 minutes par exemple. À cet effet, il s'agit de faire varier les tailles respectives des deux enceintes. Les moyens de transfert, appartenant au système de brassage de l'invention, sont aptes à faire varier les volumes de fluide de remplissage dans les deux enceintes. De façon avantageuse ce volume augmente dans la première enceinte alors qu'il diminue dans la seconde enceinte, et vice versa.

En substance, comme cela est montré sur la figure 2, on ferme les électrovannes respectivement 55 et 72. Cela permet d'interdire l'écoulement de liquide de remplissage, d'une part vers l'intérieur de l'enceinte 3, d'autre part vers l'extérieur de l'enceinte 2. On conçoit que, dans ces conditions, l'enceinte 2 a tendance à se remplir, jusqu'à adopter sa taille maximale. Dans un premier temps, cette enceinte atteint une phase d'équilibre avec l'autre enceinte, par voie gravitaire, puis continue à se remplir sous l'effet de la pompe. Par ailleurs, l'enceinte 3 a tendance à se vider, jusqu'à adopter sa taille minimale.

Puis, on réalise l'opération inverse, à savoir qu'on ouvre à nouveau les électrovannes 55 et 72 alors que, conformément à la séquence programmée dans l'automate, on ferme les électrovannes 54 et 73. Cela permet alors d'interdire l'écoulement de liquide de remplissage à la fois dans l'enceinte 2 et hors de l'enceinte 3 tout en autorisant cet écoulement dans l'enceinte 3 et hors de l'enceinte 2. Dans ces conditions, l'enceinte 2 a tendance à se vider, jusqu'à adopter sa taille minimale, alors que l'enceinte 3 a tendance à se remplir, jusqu'à adopter sa taille maximale. Cette configuration est illustrée sur la figure 3.

On peut prévoir de réaliser une mise en œuvre répétitive du cycle élémentaire détaillé ci- dessus, à savoir faire passer plusieurs fois de manière alternée les enceintes 2 et 3 successivement dans leurs configurations des figures 2 et 3. Ces phases de déploiement et de repliement de ces enceintes confère un effet de brassage dit pulsé, au niveau du fond de la cuve. Cela induit un déplacement positif, assurant aussi le transfert thermique à faible gradient des digestats reçu dans cette cuve.

L'utilisation des enceintes gonflables, selon l'invention, est tout particulièrement avantageuse. En effet, le brassage ainsi réalisé est sensiblement non destructeur des biomes bactériens. Par ailleurs, il est de nature à perturber avantageusement, à la fois vers le haut et vers le bas en retombées courbes incidentes, les digestats sur l'ensemble de la colonne. Cela garantit l'effet de houle recherché en fond de cuve, avec des effets se répercutant dans l'ensemble de la cuve. Cet effet de houle est tout particulièrement significatif, lorsqu'on utilise au moins deux enceintes de brassage. On notera qu'un tel effet ne peut pas être obtenu, en mettant en œuvre l'enseignement du document chinois présenté ci-dessus, étant donné que ce dernier fait appel à une unique enceinte.

Enfin il s'opère de manière avantageuse un transfert d'énergie thermique, selon l'invention, moyennant l'élévation de température nécessaire des espèces réactionnelles. Ce transfert thermique peut être contrôlé, grâce à l'unité de commande. En fonction de la température mesurée par le capteur plongé dans la cuve, l'unité de commande est susceptible de piloter tes différentes électrovannes, de manière à faire transiter le liquide de remplissage dans un échangeur thermique, au sein duquel il va se charger en calories pour répondre aux besoins de transfert de ces calories dans 1e bioréacteur.

À ce propos l'utilisation d'un liquide caloporteur en tant que fluide de remplissage permet d'assurer deux fonctions simultanées de manière efficiente, à savoir le brassage mais également le transfert thermique. On notera que l'enseignement du document chinois ci- dessus ne permet pas de réaliser ces fonctions combinées de façon satisfaisante, étant donné que le fluide de remplissage utilisé est de l'air. Or, ce dernier est nettement moins performant qu'un liquide, en termes de transfert thermique.

En ce qui concerne ce document chinois, on soulignera également qu'il est muet vis-à-vis de facteurs importants, qui sont avantageusement pris en compte dans la présente demande de brevet. D'une part l'agressivité des digestats pour la surface extérieure des enveloppes, d'autre part l'étanchéité à l'eau pour leur face intérieure, constituent des paramètres limitants, particulièrement critiques quand il s'agit de faire varier le volume de l'enveloppe. Or, de tels paramètres ne sont clairement pas abordés dans ce document chinois.

Conformément à l'invention, l'alliance de l'ajout de substrats organiques riches en carbone digestible, de la dilution des substrats entrants réalisée avec des solutions riches en intensificateurs du métabolisme bactérien et de ce brassage pulsé qui produit aussi une régulation thermique Inertlelle très efficace favorise le maintien d'une zone de bioturbation dans une cuve de digesteur. En effet, les matières carbonées solides, le compost brut, ont une masse volumique faible qui les maintient en surface, les solutés de dilution et d'intensification métabolique, les percolâts de compostage proches de la masse volumique de l'eau sont présents dans l'ensemble du volume de la cuve alors que les co-enzymes minéraux plus denses vont migrer rapidement en fond de cuves.

Le brassage pulsé crée un mouvement de houle dont la fréquence est basse, mais dont l'amplitude est significative et qui est faiblement turbulent. Ce mouvement de houle, obtenue conformément à l'invention, se révéle particulièrement efficace puisqu'il adopte la forme d'un flux en déplacement positif issu du milieu de la cuve, avec émergence d'une lentille de digestat au centre de la surface de cuve. Cela entraîne l'affaissement hydraulique des digestats flottants en périphérie et vers le fond, sans pour autant que la fraction la plus dense ne soit entraînée vers le haut des cuves mais plutôt maintenue au fond quel que soit le mouvement des digestats. Cette dynamique prévient notamment la formation d'une croûte flottante stable en surface des cuves. Elle maintient en outre une certaine fluidité ainsi qu'une coalescence réduite en fond de cuve, ce qui est avantageux en vue d'une extraction régulière par pompage de sédiments indésirables.

En effet les matières denses et solides d'une faible granulométrie mais non colloïdales constituent rapidement en fond de cuve une base fixante pour des colonies bactériennes dominantes et leurs symbtotes, commensaux et compétiteurs. Les minéraux, os, ongles, becs cartilages, mais aussi écorces ou fragments de bois constituent l'essentiel de ces grains fixateurs. Le brassage lent entretient une dynamique d'échange au sein de cette zone riche en biomasse fixée, l'effet de bioturbation est ainsi parfaitement assuré.

Cette architecture de fond de cuve est certes favorable à la fixation de biomasse active. Cependant à force d'accumulation, elle tend à diminuer le volume réactionnel dans le bioréacteur. Elle doit par conséquent être avantageusement régulée, par l'intermédiaire d'extractions régulières.

Le procédé de mise en œuvre du système de brassage et du bioréacteur qui sont conformes à l'invention possède une efficacité remarquable, laquelle s'appuie sur des facteurs majeurs de maintien et d'activation des mécanismes de bioturbation. Ces deriers comprennent le mécanisme d'enrichissement biochimique par recyclage partiel dans le digesteur des composts et percolâts de compostage, le maintien de la cuve en température optimale avec un vecteur inertiel à faible gradient thermique qui assure aussi le maintien à une température relativement plus élevée dans la zone de bioturbation par rapport au reste de la colonne, ainsi que le brassage pulsé allié à un micro bullage par recirculation du biogaz épuré en H2S.

Le processus réactionnel intervenant dans la cuve peut être de tout type approprié, à savoir aussi bien de type infiniment mélangé ou multi-phase, à chargement continu ou séquentiel, à biomasse libre ou fixée, mésophile ou thermophile. En outre, l'invention trouve son application à des réactions faisant intervenir toutes gammes possibles de teneur en solides organiques volatils.

Au fur et à mesure du déroulement de la réaction, le bio gaz produit est extrait par l'intermédiaire du toit 13. Par mesure d'économie et de simplification de l'automation du processus de brassage, il est mis en œuvre une mutualisation des moyens de chauffage, pompage, régulation du débit et transfert thermique. En substance, chaque cuve de bioréacteur reçoit, en tant qu'équipement dédié, uniquement des canalisations et des électrovannes. Cela Induit que le brassage effectué dans une cuve de bioréacteur est organisée en session d'une durée limitée. À cet égard, une durée de 20 minutes est une bonne période pour des digesteurs méthaniques comportant 3 cuves de bioréaction. En effet, cela permet de laisser une cuve sans brassage à effet de houle pendant environ 40 minutes, ce qui est un laps de temps largement supportable au plan biochimique, en particulier si un bullage est maintenu pendant cette période.

De façon avantageuse, on peut utiliser les enceintes de brassage dans leur configuration dite de débordement. À cet effet, comme le montre la figure 4, on remplit les 2 enceintes 2 et 3, de sorte qu'elles adoptent en môme temps leur taille maximale. On conçoit donc que, dans ces conditions, la somme des volumes occupés par les enceintes et les substrats devient supérieure au volume de la cuve. Par conséquent, une partie des substrats est évacuée par les lignes 12, de manière à être séparée en une fraction liquide et une fraction solide.

L'homme du métier pourra faire varier de différentes manières la taille des enceintes 2 et 3, en fonction du temps. Selon une première possibilité non représentée, la séquence de brassage peut comprendre plusieurs phases alternées de remplissage puis de vidage, pour chaque enceinte. Bien entendu on peut prévoir d'autres types de variations, selon ce qui est recherché par l'homme du métier. Dans l'exemple illustré, pour des raisons de dynamique des fluides et de thermodynamique, on utilise 2 enceintes gonflables indépendantes à l'intérieur d'une même cuve. Cependant, à titre de variante, par exemple dans un digesteur multiphasique, il est possible d'installer une unique enceinte par cuve, en particulier si la cuve considérée correspond strictement à une phase et si sa taille est suffisamment faible. Dans ce dernier cas, on peut prévoir par exemple plusieurs cuves disposées les unes à côté des autres, opérant par débordement.

D'une manière générale, une succession de deux à trois ballons gonflables de petite taille disposés côte à côte est préférable à tout autre arrangement. Dans cette configuration le brassage s'opère alors sans qu'il soit nécessaire de disposer d'une réserve adiabatique d'eau chaude d'un volume important en périphérie du digesteur pour gérer les flux et reflux du fluide caloporteur. En effet le volume extrait dans un ballon est transféré dans un ballon voisin, et ainsi de suite, de manière à créer une onde de houle en fond de cuve comme cela a été décrit plus en détail dans ce qui précède. Le ballon externe sera mobilisé pour injecter un volume de fluide caloporteur, qui s'incrémente au-dessus du volume moyen, uniquement si on souhaite obtenir un effet de débordement

La mise en œuvre de ce système non destructif de transfert, brassage et débordement des digestats trouve par ailleurs avantage à être complétée par un système d'injection de biogaz épuré en H2S, ou de CO2 sous pression suffisante pour assurer un micro-bullage tangentiellement à la surface supérieure des ballons gonflables.

Le système de brassage conforme à l'invention, un bioréacteur équipé de ce système de brassage, ainsi que son procédé de mise en œuvre, peuvent être associés à des éléments structurels et fonctionnels supplémentaires. Ces derniers, qui sont à prendre en compte pour le bon fonctionnement de ce bioréacteur, ne font cependant pas partie de l'invention. Ils ne seront donc pas décrits plus en détail. Ces éléments sont notamment :

- des électrovannes, des pompes, des débitmètres, des capteurs de volume et de température, des ballons et des échangeurs thermiques supplémentaires.

- un système de broyage des déchets et substrats entrants qui permet de réduire leur taille relative dans une granulométrie n'excédant pas 25 mm. Ce dispositif pouvant prendre la forme d'un broyeur lent à couteau à double axe servi par une trémie de chargement assurant la protection de l'opérateur.

- un système de préchauffage et de mélange constitué d'un bain marie ou tout autre dispositif équivalent chargé par voie gravitaire des substrats organique et du compost brut issus du broyeur et recevant le liquide de dilution constitué de percolâts. - une pompe de relevage acceptant des flux hautement turbides avec une granulométrie maximum de 35 mm destinée à alimenter le bioréacteur en partie haute de ce dernier

- un réseau de capteurs qui mesurent en temps réel ou légèrement différé les valeurs obtenues pour la température, le pH, la turbidité des digestats au cours des différentes phases la composition chimique, la température et l'humidité relative du biogaz et du biométhane épuré

- un jeu de plusieurs automates industriels programmables qui traitent les signaux reçus des capteurs, infèrent le comportement d'effecteurs et rendent compte de l'état du système sur un poste de contrôle distant

- un réseau d'effecteurs tels que des électrovannes hydrauliques ou pneumatiques qui régulent la circulation des flux de substrats, digestats, éluats commandés par les automates programmables ou directement par l'opérateur humain

- une ou plusieurs cuves dites annexes, distinctes de la cuve 1 décrite sur les figures, lesquelles font office de bioréacteurs pour abriter les différentes phases de la biodigestion avec les moyens d'introduction et d'évacuation des matières traitées

- un système de dégazage des digestats enfin de cycle de digestion méthanique et qui peut être une simple enceinte de décantation étanche au gaz dotée ou non de dispositifs de brassage spécifiques.

- un dispositif de filtration du biogaz, avec pour fonction de séparer et traiter, CO2 et CH4, et qui pourra prendre la forme d'une cellule de solubilisation à l'eau, aux solvants, réactifs, filtres osmotiques ou tout autre dispositif équivalent

- un dispositif de déshumidification du biogaz ayant pour fonction d'extraire l'eau H2O par condensation

- un dispositif de filtration du biogaz avec pour fonction de séparer et traiter l'hydrogène sulfuré (H2S), les siloxanes et oxydes d'azote et qui pourra prendre la forme d'une cellule de capture par voie biologique, au charbon actif, ou tout autre dispositif équivalent.