PROCéDé DE MéTHANISATION à PARTIR DE BIOMASSE VéGéTALE

La présente invention a pour objet un procédé de méthanisation à partir de biomasse végétale.

La méthanisation est une suite de réactions de fermentation anaérobie de la matière organique, à l'issue de laquelle on obtient du biogaz. Le biogaz est le mélange gazeux récolté qui contient principalement du méthane (50 à 70%), du dioxyde de carbone, de la vapeur d'eau et du sulfure d'hydrogène. En raison de sa haute teneur en méthane, le biogaz est un précieux porteur d'énergie qui peut être utilisé comme combustible produisant de la chaleur ou comme carburant permettant entre autre de faire fonctionner des moteurs thermiques ou capable de produire de l'énergie sous d'autres formes comme l'énergie électrique. Industriellement, le biogaz s'obtient à partir de la dégradation microbienne des substances organiques en l'absence d'oxygène dans des installations appelées « digesteur ». Dans la nature, ce processus se déroule par exemple dans le fond des marais.

La quantité de biogaz produite à l'issue de ce processus dépend essentiellement de la nature de la matière organique. Toutes les matières organiques fermentescibles sont a priori susceptibles de libérer du biogaz lors du processus de méthanisation. Cependant, certaines matières organiques sont beaucoup plus méthanogènes que d'autres. Les matières grasses, et en particulier les graisses, ont le potentiel de rendement le plus élevé, les autres matières organiques de type biopolymères glucidiques, comme la cellulose ou l'hémicellulose, ont une vitesse de dégradation plus lente avec un rendement en biogaz beaucoup plus faible (au moins la moitié). En pratique, les matières premières les plus utilisées dans le procédé de méthanisation sont surtout les déjections animales (lisier bovins et porcins notamment) pour les unités dites de méthanisation à la ferme. Les unités de méthanisation de type industriel utilisent quant à elles préférentiellement des mélanges de déchets alimentaires, boues de station d'épuration, graisses de flottation, graisses et déchets issus de l'industrie agro-alimentaire, déchets verts.

Aujourd'hui, la valorisation de la biomasse organique par méthanisation n'est pas encore courante en France. En Allemagne on compte aujourd'hui plus de 4000 unités de méthanisation de type « industrielle » ou méthanisation « à la ferme ». Le mélange de ces différentes matières premières a pour inconvénient de fournir fréquemment un substrat dont la vitesse et le rendement de méthanisation sont faibles car ce mélange est pauvre en éléments carbonés fermentescibles.

Pour pallier à cet inconvénient majeur et son impact pour ce qui concerne l'intérêt économique du procédé de méthanisation, beaucoup de pays développent aujourd'hui l'utilisation de la biomasse végétale agricole. Grâce à certains types de biomasse végétale, on peut apporter au mélange de méthanisation des éléments carbonés fermentescibles issus en particulier de certaines cultures de matières premières énergétiques. C'est en particulier le cas du maïs qui est une matière première à fort rendement méthanogène. En Allemagne la majorité des unités de méthanisation fonctionnent avec de l'ensilage de maïs comme complément indispensable à la rentabilité économique de la méthanisation des déjections animales.

Il se trouve cependant que ces matières premières, sources de carbone nécessaire à la méthanisation, devraient normalement trouver leur utilité première en nutrition humaine et animale et que, dans le contexte démographique et économique actuel, leur utilisation comme agent méthanogène est devenue une aberration économique et un scandale sur le plan sociétal. Un des buts de la présente invention est de proposer une alternative à l'utilisation de ces ressources alimentaires en utilisant comme agent méthanogène une ressource issue de la biomasse végétale, non utilisable pour la nutrition humaine ou animale.

La présente invention a pour but de proposer un procédé de méthanisation mettant en œuvre une bio-ressource actuellement inexploitée.

Ainsi, la présente invention concerne un procédé de méthanisation d'un substrat, comprenant une étape de co-digestion dudit substrat avec de la matière algale.

Le procédé de méthanisation consiste en la formation d'un biogaz selon un processus biologique faisant intervenir une chaîne complexe de réactions biochimiques (Figure 1 ) auxquelles participent différents micro-organismes de type anaérobie, et en particulier : - les bactéries hydrolytiques et fermentatives (les principales espèces appartiennent aux genres Clostridium, Bacillus, Ruminococcus, Enterobacteroïdes, Propionibacterium et Butivibrio) ;

- les bactéries acétogènes (les homoacétogènes des genres Clostridium, Acetobacterium, Sporomusa, Acetogenium, Acetoanaerobicum, Pelobacter Butyribacterium ou Eubacterium, les syntrophes des genres

Syntrophobacter, Syntrophomonas ou Syntrophus et les sulfato-réductrices des genres Desulfovibrio, Desulfobacter, Desulfotomaculum, ou Desulfomonas) ; et

- les bactéries spécifiquement méthanogènes, qui sont réunies dans un groupe qui leur est propre, celui des Archae.

La Figure 1 est un diagramme qui décrit les principales voies métaboliques et la nature des populations microbiennes intervenant dans la digestion anaérobie.

Ainsi, le procédé de la présente invention met en œuvre une bio- ressource issue du monde marin et qui donc n'entre pas en concurrence avec les productions végétales terrestres (comme le maïs classiquement utilisé dans les procédés actuels de méthanisation).

Par ailleurs, cette bio-ressource n'agit pas uniquement comme source de carbone, mais également comme activateur du processus biologique de méthanisation, en augmentant la vitesse de réaction et en augmentant de façon très significative le rendement en terme de volume de biogaz produit par unité de matière organique traitée, tout en conservant un bon niveau de qualité du biogaz en terme de taux de méthane dans le mélange gazeux, comme démontré ci-après dans la partie expérimentale. Dans le cadre de l'invention, on entend par le terme « algue » couvrir toutes les espèces végétales marines comportant des polysaccharides, et en particulier les algues vertes des espèces ulva (ulves) et Enteromorpha. Ces algues sont connues pour proliférer sur des côtes, notamment

atlantiques et méditerranéennes, et sont à l'origine de problèmes environnementaux de pollution visuelle et olfactive, d'où leur surnom de « marée verte ». Elles constituent une matière première disponible et d'accès aisé dont on recherche à se débarrasser et que l'on cherche si possible à valoriser.

Selon un mode de réalisation particulier, la matière algale est un extrait d'algue, notamment d'algue verte, et plus particulièrement des espèces ulva et Enteromorpha.

Les algues ne sont pas utilisées brutes, de préférence, car sous cette forme elles présentent très peu d'intérêt dans un procédé de méthanisation.

En effet, non traitées telles que dans le cadre de l'invention, leur teneur en matière sèche n'est pas assez élevée pour pouvoir démarrer et entretenir un processus de fermentation méthanogène. Elles contiennent par ailleurs des fractions incompatibles avec la méthanisation, telles que du sable et une quantité importante de sels.

L'intérêt de l'invention est de pouvoir fournir des extraits d'algues sélectionnés et concentrés qui sont la plus grosse partie des matières insolubles extraites à l'issue d'un processus d'hydrolyse de la matière algale brute, extraits d'algues dont le niveau de matière sèche est suffisamment élevé pour être compatible avec un procédé de méthanisation et qui vont agir à la fois comme matière première méthanogène mais surtout comme activateur du processus biologique de méthanisation en apportant aux microorganismes anaérobies responsables de ces transformations biochimiques des éléments nutritifs indispensables qui sont les facteurs limitant de leur métabolisme.

Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le procédé selon la présente invention comprend une étape de co-digestion dudit substrat avec un extrait d'algue présentant un taux de matières sèches compris de 10% à 50%, de préférence de 20% à 35%, et encore de préférence de 25% à 35% en poids.

Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de méthanisation d'un substrat constitué de produits ou sous-produits

organiques d'origine animale ou végétale, comprenant une étape de co- digestion dudit substrat avec un marc d'algues.

Dans le cadre de la présente invention, le terme "marc d'algue" désigne un produit semi-solide obtenu sous forme de gâteau à l'issue d'une suite de traitements appliqués aux algues brutes qui sont dans l'ordre un broyage, une hydrolyse, une centrifugation et un pressage. Ce produit contient essentiellement des matières organiques insolubles ainsi que des matières minérales.

De préférence, ce marc d'algues présente un taux de matières sèches compris de 10% à 50%, de préférence de 20% à 35%, et encore de préférence de 25% à 35% en poids.

Parmi les produits ou sous-produits organiques d'origine animale ou végétale, on utilise de préférence des déchets animaux et végétaux, notamment sous la forme de mélanges. On peut ainsi notamment citer des mélanges de déjections animales (lisier bovins et porcins notamment) mais également de déchets alimentaires, boues de station d'épuration, graisses de flottation, graisses et déchets issus de l'industrie agro-alimentaire, et déchets verts.

Le procédé de la présente invention comprend donc l'utilisation d'un mélange constitué du substrat et du marc d'algues. Toutefois, le procédé de l'invention peut également être mis en œuvre en utilisant directement le marc d'algues comme substrat.

Le marc d'algues susmentionné tel qu'utilisé dans le cadre de la présente invention est de préférence obtenu à partir d'algues vertes, et notamment des espèces ulva et Enteromorpha.

Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le marc d'algues susmentionné est obtenu à partir de matière algale brute ayant subi une étape de maturation pendant 1 heure à 48 heures, de préférence pendant 2 heures à 24 heures, à une température de 70 ⁰ C à 100 ⁰ C, de préférence de 85°C à 95°C.

Cette étape de maturation permet d'effectuer une auto-hydrolyse de la matière algale.

De préférence, le marc utilisé dans le cadre de la présente invention est obtenu selon un procédé comprenant les étapes suivantes :

- une étape de lavage et de broyage de matière algale brute pour obtenir un broyât d'algues ; - une étape de dilution dans l'eau dudit broyât pour obtenir un broyât dilué présentant de préférence un pourcentage de matières sèches de 1 à 20%, préférentiellement de 2 à 10%, et encore préférentiellement de 4 à 6% en poids ;

- une étape de maturation dudit broyât dilué pendant 1 heure à 48 heures, de préférence pendant 2 heures à 24 heures, à une température comprise de 70 ⁰ C à 100 ⁰ C, de préférence de 85°C à 95°C, pour obtenir un mélange ; et

- une étape de séparation en deux phases dudit mélange, notamment par centrifugation ou décantation, et récupération de la phase solide, suivie d'une étape de pressage de ladite phase solide, pour obtenir le marc d'algues.

L'étape de broyage de la matière algale brute permet de réduire la taille des particules et plus particulièrement d'obtenir des particules dont la taille est comprise de 100 nm à 100 μm, et de préférence de 0,5 μm à 10 μm. L'étape de maturation susmentionnée permet l'auto-hydrolyse de la matière algale et est effectuée de préférence sous agitation. A l'issue de cette étape, on obtient un mélange arrivé à maturation.

Ledit mélange arrivé à maturation est alors séparé en deux phases, par exemple au moyen d'une centrifugeuse industrielle type "décanteur". La phase liquide clarifiée ainsi obtenue est évacuée pour d'autres usages tandis que la phase solide ainsi obtenue ou phase épaisse ou boue est par la suite pressée, par exemple par un matériel de type "presse à bande".

Ainsi, la présente invention concerne également un procédé de préparation d'un marc d'algues comprenant les étapes suivantes : - une étape de lavage et de broyage de matière algale brute pour obtenir un broyât d'algues ;

- une étape de dilution dans l'eau dudit broyât pour obtenir un broyât dilué présentant de préférence un pourcentage de matières sèches de 1 à

20%, préférentiellement de 2 à 10%, et encore préférentiellement de 4 à 6% en poids ;

- une étape de maturation dudit broyât dilué pendant 1 heure à 48 heures, de préférence pendant 2 heures à 24 heures, à une température comprise de 70 ⁰ C à 100 ⁰ C, de préférence de 85°C à 95°C, pour obtenir un mélange ; et

- une étape de séparation en deux phases dudit mélange, notamment par centrifugation ou décantation, et récupération de la phase solide, suivie d'une étape de pressage de ladite phase solide, pour obtenir le marc d'algues.

La présente invention concerne également un marc d'algues susceptible d'être obtenu selon le procédé tel que défini ci-dessus.

Selon un autre mode de réalisation, la présente invention concerne l'utilisation d'un marc d'algues comme activateur d'un procédé de méthanisation d'un substrat.

En co-digestion avec des matières organiques issues de produits ou sous-produits animaux ou végétaux, et en particulier de déjections animales, ce marc d'algues permet d'améliorer les performances de production de biogaz en terme d'augmentation de la quantité mais également de la vitesse de production. Il peut également être utilisé seul, en l'état, dans le procédé de méthanisation.

De préférence, ledit marc d'algues est tel que défini ci-dessus, et plus particulièrement présente un taux de matières sèches compris de 10 à 50% en poids. Ledit substrat est constitué de produits ou sous-produits organiques d'origine animale ou végétale, et plus particulièrement de déchets animaux et végétaux tels que définis ci-dessus.

La présente invention concerne donc également l'utilisation d'un marc d'algues comme activateur d'un procédé de méthanisation d'un substrat, caractérisée en ce que le marc d'algues est obtenu à partir de matière algale brute, notamment d'algues vertes, de préférence des espèces ulva et Enteromorpha, et plus particulièrement selon un procédé comprenant une étape de maturation de ladite matière algale brute pendant 1 heure à 48

heures, de préférence pendant 2 heures à 24 heures, à une température de

70 ⁰ C à 100 ⁰ C, de préférence de 85°C à 95°C.

Sans qu'on veuille la limiter d'une quelconque façon la présente invention va être davantage illustrée par les exemples suivants :

EXEMPLES

EXEMPLE 1

Préparation de marc d'algue 12 025 kg d'algues vertes lavées et égouttées (matière sèche de

9,53%) sont broyés par un affineur à 3 étages de coupes (de marque Inotec) permettant l'obtention d'une purée d'algue dont la taille moyenne de particules est de l'ordre de 5 microns. Ces 12 025 kg de purée sont mélangés à 10 895 litres d'eau, le mélange étant porté à 90 ⁰ C et cette température étant maintenue à ce niveau pendant 2,5 heures puis ramenée à 40°C de façon progressive en 12 heures. Une première phase de concentration grâce à un décanteur (de marque Flottweg) permet l'obtention de 3 325 kg de boues à 13,08% de matière sèche. Le passage de ces boues dans la presse à bande (de marque Flottweg) permet de récupérer 1 732 kg de marc d'algue à 25,10% de matière sèche.

EXEMPLE 2

Préparation de marc d'algue

11 983 kg d'algues vertes lavées et égouttées (matière sèche de 9,93%) sont broyés par un affineur à 3 étages de coupes (de marque Inotec) permettant l'obtention d'une purée d'algue dont la taille moyenne de particules est de l'ordre de 5 microns. Ces 11 983 kg de purée sont mélangés à 11 400 litres d'eau, le mélange étant porté à 90 ⁰ C et cette température étant maintenue à ce niveau pendant 2,5 heures puis ramenée à 40 ⁰ C de façon progressive en 12 heures. Une première phase de concentration grâce à un décanteur (de marque Flottweg) permet l'obtention de 3 576 kg de boues à 14,60% de matière sèche. Le passage de ces boues dans la presse à bande (de marque Flottweg) permet de récupérer 1 689 kg

de marc d'algue à 30,91 % de matière sèche.

EXEMPLE 3

Procédé de méthanisation

L'incorporation de ce marc d'algues a été testée à l'entrée d'un pilote de méthanisation en co-digestion avec du lisier de porc en proportions variables (essais 1 à 2 et 4 à 6). En parrallèle (essai n°3), l'incorporation de biomasse végétale de type ensilage de maïs en mélange au lisier de porc a également été testée.

On a introduit quotidiennement dans une trémie d'alimentation du fermenteur le lisier, le marc d'algues, et le maïs en proportions variables telles que décrites dans le tableau ci-après :

Toutes les heures, une certaine quantité de mélange (200-300 kg) est introduite dans le digesteur, ici une cuve inox double paroi de 15 000 litres maintenue à une température moyenne de 38°C par circulation d'eau chaude dans la double paroi. Dans ce digesteur, les bactéries méthanogènes transforment progressivement la matière organique fermentescible en biogaz. Le biogaz produit est récupéré en partie supérieure du digesteur et, par simple surpression, est acheminé dans une cuve tampon de stockage de gaz. Les quantités journalières de biogaz et les quantités journalières de mélange rentrant dans le digesteur sont mesurées par les débitmètres.

L'ensemble des opérations et des mesures est sous contrôle d'un automate de marque Simatex spécifiquement développé pour le suivi d'unité

de production industrielle de biogaz.

Les résultats mesurés sont indiqués dans le tableau ci-après.

Q MSO/j = Quantité de Matière sèche Organique introduite par jour MO = Matière Organique

Les performances mesurées dans les conditions du pilote de méthanisation avec 25% de marc d'algue donnent une production moyenne de 604 Nm ³ de biogaz par tonne de matière organique et un temps de 8 jours seulement pour obtenir 80% de dégradation de la matière organique. Ces résultats confirment l'intérêt du marc d'algues comme matière première méthanogène mais surtout comme élément activateur du procédé de méthanisation pouvant être utilisé en substitut des matières végétales alimentaires comme le maïs.