La présente invention s'inscrit dans le domaine de la production d'hydrogène et autres produits du métabolisme microbien, par traitement de matières organiques par fermentation sombre. Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé de contrôle du milieu réactionnel contenu dans un réacteur de fermentation sombre pour la production de dihydrogène et/ou de produits métaboliques, ce contrôle visant à détecter / prévenir une éventuelle inhibition de la production par la force ionique. De nos jours, les matières fossiles constituent les principales sources primaires d'énergie. En raison de leur impact négatif sur l'environnement, et de l'épuisement prévu de leurs réserves naturelles, il a été développé depuis quelques années des procédés alternatifs de production d'énergie, à base de ressources renouvelables, et notamment de biomasse organique. Nombre de ces procédés sont en particulier mis en œuvre à partir de déchets industriels ou ménagers, qui constituent des ressources durables pour la production d'énergie. Il a par exemple été reporté en 2012 que les villes du monde généraient environ 1 ,3 milliards de tonnes de déchets solides par an, et que ce chiffre devrait monter jusqu'à 2,2 milliards de tonnes d'ici 2025. La fraction organique des déchets solides ménagers présente en particulier une forte valeur calorifique, en raison de son fort taux en matières volatiles, ce qui la rend particulièrement adaptée à la production d'énergie.

Parmi les différents procédés de production d'énergie à partir de ressources renouvelables ainsi développés, on peut citer en particulier la digestion anaérobie, selon laquelle la matière organique est convertie en méthane par des microorganismes. Le méthane a été le premier, et pendant longtemps le principal, gaz produit à partir de déchets solides ménagers.

Dans les dernières années, des procédés alternatifs à la méthanisation ont été développés pour produire de l'hydrogène à partir de biomasses diverses et variées, en particulier par le processus de fermentation sombre. L'hydrogène est en effet considéré comme une source d'énergie particulièrement intéressante pour une utilisation dans un grand nombre de nouvelles technologies telles que celles des piles à combustible, mais également en raison notamment de sa forte chaleur de combustion et du fait que l'eau est le seul produit généré lors de sa combustion.

La production d'hydrogène par fermentation sombre de déchets fermentescibles met en œuvre, dans des conditions anaérobies, des cultures mixtes de microorganismes chimiotrophes aptes à réaliser l'hydrolyse et l'acidification de la matière organique, et en particulier des (poly)saccharides. Ces réactions produisent du dihydrogène et des produits métaboliques (métabolites) tels que des acides gras volatils (AGVs), par exemple de l'acide acétique et de l'acide butyrique, et des alcools, par exemple de l'éthanol.

Mise en œuvre sur des déchets industriels ou ménagers fermentescibles, la fermentation sombre permet avantageusement de coupler l'épuration de la matière organique avec la production d'énergie renouvelable.

Les procédés de fermentation sombre sont classiquement mis en œuvre dans des réacteurs de fermentation dans lesquels sont introduites la matière organique et une culture mixte de microorganismes aptes à produire, par fermentation de cette matière organique en conditions anaérobies et à l'obscurité, du dihydrogène ainsi que des acides gras volatils et des alcools.

Dans la présente description, on utilisera indifféremment les termes « hydrogène » et « dihydrogène » pour désigner le produit gazeux de la fermentation.

La principale limitation de tels procédés est l'accumulation dans le milieu réactionnel d'inhibiteurs de la réaction de fermentation, et entre autres des ions ammonium et/ou d'autres espèces ioniques. A l'heure actuelle, le contrôle d'un réacteur de fermentation biologique pour la présence de tels inhibiteurs est réalisé par analyse d'échantillons du milieu réactionnel pour la présence de tels composés inhibiteurs. Cette analyse est réalisée par des techniques telles que la chromatographie liquide haute performance (HPLC) ou la chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS), qui sont longues et coûteuses à mettre en œuvre. En outre, ces opérations ne peuvent pas toujours être réalisées sur site, ce qui complique plus encore leur utilisation. Même dans les cas où ces opérations d'analyse peuvent être réalisées sur site, elles ne peuvent l'être que dans des laboratoires d'analyse qui sont plus ou moins proches du réacteur de fermentation, ce qui entraîne des pertes de temps pour les opérateurs. Au final, lorsque sont obtenus des résultats d'analyse négatifs, c'est-à-dire témoignant d'une concentration trop importante en composés inhibiteurs dans le milieu réactionnel pour assurer un rendement satisfaisant de la réaction de fermentation, le réacteur a déjà continué à fonctionner de manière insatisfaisante pendant une période pouvant être relativement longue. Une telle perte d'efficacité constitue un obstacle au développement des procédés de fermentation sombre pour la production d'hydrogène, ou de produits métaboliques, à l'échelle industrielle. II n'existe à ce jour aucun procédé permettant de réaliser de manière simple le contrôle du milieu réactionnel d'un réacteur de fermentation biologique sombre afin de déterminer si les conditions, en termes de concentration d'inhibiteurs ioniques dans ce milieu, sont ou non favorables à un rendement satisfaisant de la réaction de fermentation. La présente invention vise à remédier aux inconvénients des procédés proposés par l'art antérieur pour le contrôle d'un réacteur de production de dihydrogène par la voie fermentaire sombre, relativement à la présence dans ce réacteur de composés inhibiteurs de la réaction de fermentation, notamment aux inconvénients exposés ci-avant, en proposant un tel procédé qui permette de contrôler efficacement, facilement et en temps réel un réacteur de fermentation biologique, de sorte à permettre d'anticiper une baisse éventuelle du rendement de la réaction de fermentation liée à une présence trop importante d'inhibiteurs de cette réaction dans le réacteur, et donc d'anticiper un dysfonctionnement éventuel de ce réacteur, et de sorte à pouvoir prendre suffisamment vite des mesures permettant d'éviter ce dysfonctionnement.

L'invention vise également notamment à ce que ce procédé puisse être mis en œuvre directement sur site, et/ou qui plus est rapidement et/ou au moyen d'appareillage de coût réduit.

Elle vise également à ce que ce procédé soit applicable quelle que soit la nature du substrat et quelles que soient les espèces microbiennes mises en œuvre.

Il a été observé par l'art antérieur, illustré notamment par la publication de Van Niel et al., 2003, dans Biotechnol. Bioeng. 81 , 255-262, que différents couples d'ions et contre-ions inhibent la production de dihydrogène lors de la fermentation de sucrose par une culture pure de la bactérie hautement thermophile Caldicellulosiruptor saccharolyticus. Les auteurs en ont déduit que la force ionique de chacun de ces couples ioniques serait responsable de l'inhibition de la production d'hydrogène par fermentation sombre, chaque couple ionique présentant une concentration inhibitrice critique qui lui est propre. L'influence de la force ionique sur la réaction de production d'hydrogène par fermentation sombre a également été étudiée dans la publication de Zheng et al., 2005, dans Environmental Technology, 26, 1073- 1080. Après avoir indiqué que la force ionique est déterminée à la fois par l'espèce ionique particulière en présence et par sa concentration dans le milieu réactionnel, les auteurs se sont plus particulièrement intéressés à l'influence de la concentration en chlorure de sodium sur la production d'hydrogène par fermentation sombre de glucose en milieu de culture modèle.

Les présents inventeurs ont maintenant découvert que, de manière tout à fait surprenante, il existe, pour chaque produit de réaction de fermentation sombre de biomasse par des microorganismes hydrolytiques / acidogènes, un seuil de force ionique dit critique au-delà duquel il se produit une diminution brusque et forte de la production de ce produit dans le réacteur de fermentation, ce seuil étant non seulement le même quelle que soit l'espèce ionique présente dans le réacteur, mais également quel que soit le mélange d'espèces ioniques qui y sont présentes et quelles que soient les concentrations relatives de ces différentes espèces dans ce mélange. Au-delà de ce seuil critique, on observe en outre une forte variabilité de la production du produit visé. La force ionique est ainsi un paramètre universel influant toujours de la même manière sur le rendement de la réaction de fermentation, et qui ne dépend ni des espèces ioniques inhibitrices en présence dans le réacteur, ni de leurs concentrations respectives.

La conductivité électrique étant proportionnelle à la force ionique, une mesure de la conductivité électrique du milieu réactionnel permet ainsi de déterminer, quels que soient les microorganismes mis en œuvre, et quel que soit le substrat soumis à fermentation, si le seuil critique de force ionique a ou non été atteint. Si c'est le cas, il est alors possible de procéder rapidement à des actions correctives adéquates sur le milieu réactionnel, de sorte à repasser en-dessous de ce seuil critique et d'assurer que le rendement de la réaction de fermentation reste toujours élevé, évitant ainsi tout dysfonctionnement du réacteur qui soit économiquement pénalisant. Ainsi, il est proposé selon la présente invention un procédé de contrôle du milieu réactionnel dans un réacteur de fermentation sombre, c'est-à-dire de fermentation réalisée dans l'obscurité, réacteur dans lequel est ou va être mise en œuvre, de manière classique en elle-même, la fermentation d'un substrat fermentescible par des microorganismes en conditions anaérobies, pour la production d'un produit choisi parmi l'hydrogène et/ou un ou des produits du métabolisme microbien, notamment les acides gras volatils.

Ce procédé de contrôle du milieu réactionnel dans le réacteur de fermentation sombre pour la mise en œuvre de la fermentation d'un substrat fermentescible par des microorganismes, en conditions anaérobies, vise en particulier à évaluer le caractère conforme ou non du milieu réactionnel contenu dans ce réacteur, vis-à-vis de la charge ionique qui y est contenue. Ce procédé comprend :

- la mesure de la conductivité électrique du milieu réactionnel,

- la comparaison de la valeur de conductivité électrique ainsi mesurée avec une valeur seuil prédéterminée associée audit produit, dite valeur seuil critique, indicative d'une inhibition indésirable de la production dudit produit par les espèces ioniques en présence dans le milieu réactionnel,

- et, si la valeur de conductivité électrique mesurée est supérieure à cette valeur seuil, l'attribution d'un caractère non conforme au milieu réactionnel.

La mesure de conductivité électrique peut être réalisée selon toute méthode connue de l'homme du métier, et au moyen de tout appareillage classique en lui-même.

Le procédé selon l'invention s'applique avantageusement à tous types de réactions de fermentation biologique sombre, notamment aux réactions visant principalement la production d'hydrogène et/ou aux réactions visant principalement la production de produits métaboliques, tels que des acides gras volatils, de l'acide lactique, ou des alcools.

Il s'applique ainsi avantageusement au contrôle tant des réacteurs dits de production d'hydrogène gazeux, que des réacteurs de fermentation dits d'acidogénèse, pour la production d'acides gras volatils, c'est-à-dire d'acides comportant une chaîne carbonée relativement courte, de 2 à 10 atomes de carbone environ. Des exemples de tels acides gras volatils sont l'acide acétique, l'acide propionique, l'acide butyrique, etc. Ces acides gras volatils, tout comme les autres produits métaboliques des réactions de fermentation sombre, trouvent notamment une application avantageuse en tant que molécules plateformes pour la synthèse organique.

Il entre dans les compétences de l'homme du métier de déterminer, pour chaque produit d'intérêt donné formé lors de la réaction de fermentation, la valeur seuil prédéterminée associée au-delà de laquelle il sera considéré que le milieu réactionnel n'est plus conforme, au sens de la présente invention, c'est-à-dire que ce milieu réactionnel ne permet plus d'obtenir ledit produit avec un rendement satisfaisant, du fait de la présence d'une charge ionique trop importante. Une telle valeur seuil correspond plus particulièrement à la valeur de conductivité électrique du milieu réactionnel pour laquelle on observe une diminution importante, c'est-à-dire d'au moins 30 % (ce qui est par exemple le cas lorsque le produit est un acide gras volatil ou un mélange d'acides gras volatils), notamment d'au moins 50 % (ce qui est par exemple le cas lorsque le produit est l'hydrogène), et brusque, du rendement de formation de ce produit. Au-delà de cette valeur seuil, on observe également une forte augmentation de la variabilité de production dudit produit.

A l'effet de déterminer cette valeur seuil, pour un produit donné, l'homme du métier pourra notamment mener des expériences préalables sur des milieux réactionnels modèles, et déterminer pour ces milieux réactionnels, à différents intervalles de temps, d'une part le rendement de production du produit d'intérêt, et d'autre part la conductivité électrique du milieu correspondante, afin de déterminer à quelle valeur de conductivité électrique correspond la diminution brusque de rendement de la réaction de fermentation provoquée par l'inhibition de cette réaction par la force ionique devenue trop importante dans le réacteur.

Avantageusement, comme exposé ci-avant, cette valeur seuil étant universelle pour le produit d'intérêt associé, c'est-à-dire qu'elle est sensiblement identique quelles que soient les conditions opératoires mises en œuvre dans le réacteur de fermentation, notamment quels que soient le substrat soumis à fermentation, la population microbienne dans le réacteur et plus généralement la composition du milieu réactionnel, le résultat ainsi obtenu est extrapolable à toutes les réactions de fermentation à partir de substrats organiques complexes, réalisées dans des conditions adaptées à l'obtention du produit en question. Ainsi, de manière tout à fait avantageuse, le procédé selon l'invention permet, à partir de simples mesures de conductivité électrique du milieu réactionnel contenu dans le réacteur de fermentation, ces mesures permettant de connaître en temps réel la charge totale des ions contenus dans ce milieu réactionnel, de détecter, au moment même où il se produit ou même avant, un éventuel dysfonctionnement du réacteur dû à une charge ionique trop importante pour que la réaction de fermentation puisse se réaliser avec une performance satisfaisante. Cette détection permet alors de prendre des mesures correctrices, en modifiant directement les conditions dans le réacteur, afin de prévenir ce dysfonctionnement.

Ceci est réalisé par un procédé de contrôle facile et rapide à mettre en œuvre, en temps réel, directement sur site, et au moyen d'un conductimètre électrique, appareillage simple, peu coûteux, robuste, transportable et facile d'utilisation.

Le procédé selon l'invention peut comprendre une étape préalable de détermination, pour un produit de la réaction de fermentation donné, de la valeur seuil prédéterminée associée, indicative d'une inhibition indésirable de la production dudit produit par les espèces ioniques en présence dans le milieu réactionnel contenu dans le réacteur.

Cette étape peut notamment être réalisée comme décrit ci-avant, en mettant en œuvre une réaction de fermentation sombre d'un substrat fermentescible donné, par exemple d'un substrat modèle, et en déterminant, à différents intervalles de temps, d'une part le rendement de production du produit d'intérêt, et d'autre part la conductivité électrique du milieu correspondante, puis en déduisant à quelle valeur de conductivité électrique correspond la diminution brusque de rendement de la réaction de fermentation qui se produit à un temps donné dans le réacteur. La valeur de conductivité électrique ainsi déterminée est avantageusement universelle pour toutes les réactions de fermentation sombre en conditions anaérobies pour la production de ce produit d'intérêt donné. De préférence, cette étape de détermination de la valeur seuil prédéterminée est réalisée avec les mêmes conditions opératoires, notamment de pH, température et siccité, que les conditions qu'il est souhaité appliquer, dans le réacteur de fermentation sombre, pour la réaction de fermentation qui sera à contrôler.

Le procédé selon l'invention peut en outre répondre à l'une ou plusieurs des caractéristiques décrites ci-après, mises en œuvre isolément ou en chacune des leurs combinaisons techniquement opérantes. Comme exposé ci-avant, le procédé de contrôle selon l'invention comprend la comparaison de la valeur de conductivité électrique du milieu réactionnel avec une valeur seuil prédéterminée pour être indicative d'un caractère de non-conformité du milieu réactionnel, en termes de charge ionique contenue dans ce milieu, cette valeur étant toujours sensiblement la même pour un produit donné, quels que soient les ions responsables de l'inhibition de la réaction de fermentation se produisant dans le réacteur, et en particulier quel que soit l'influent à traiter introduit dans le réacteur.

Lorsque la fermentation est réalisée dans des conditions visant à produire du dihydrogène, le produit d'intérêt est le dihydrogène, et la valeur seuil prédéterminée associée est égale à 55 mS/cm ± 4 mS/cm. Ceci est notamment le cas pour des conditions de fermentation selon lesquelles le pH est compris entre 5 et 7, la température est d'environ 37 °C et le taux de matière sèche dans le milieu réactionnel est d'environ 3 %, par exemple lorsque le substrat est la fraction fermentescible d'ordures ménagères.

Lorsque la fermentation est réalisée dans les conditions visant à produire un autre produit métabolique, et plus précisément des acides gras volatils, le produit d'intérêt est un acide gras volatil, ou un mélange d'acides gras volatils, et la valeur seuil prédéterminée associée est égale à 46 mS/cm ± 3 mS/cm. Ceci est notamment le cas pour des conditions de fermentation selon lesquelles le pH est compris entre 5 et 7, la température est d'environ 37 °C et le taux de matière sèche dans le milieu réactionnel est d'environ 3 %, par exemple lorsque le substrat est la fraction fermentescible d'ordures ménagères. Préférentiellement, le procédé de contrôle selon l'invention est mis en œuvre avant le début de la fermentation, c'est-à-dire avant l'introduction d'un nouvel influent à traiter dans ce dernier. On s'assure ainsi avantageusement que le milieu réactionnel déjà contenu dans le réacteur est conforme, au sens de la présente invention, c'est-à-dire quant à son niveau de force ionique, avant d'engager la réaction de fermentation d'un nouveau lot d'influent.

Dans des modes de mise en œuvre de l'invention, particulièrement adaptés à une configuration dans laquelle le réacteur de fermentation fonctionne en continu, le procédé de contrôle est mis en œuvre au moins une fois par jour pour le contrôle du milieu réactionnel contenu dans le réacteur, par exemple une fois par jour. Une telle cadence suffit à détecter un dysfonctionnement éventuel du réacteur, du à une charge ionique trop importante dans le milieu réactionnel, juste avant que ce dysfonctionnement ne se produise, ou au moment même où il se produit.

Le procédé selon l'invention peut utiliser un seul dispositif de mesure de la conductivité électrique du milieu réactionnel, ou une pluralité de tels dispositifs, configurés et disposés chacun pour prendre une mesure à un endroit différent du réacteur. Un mode de mise en œuvre avec plusieurs tels dispositifs s'avère notamment intéressant pour les réacteurs de grande taille. La valeur de conductivité électrique qui est comparée, selon l'invention, à la valeur seuil prédéterminée peut alors être égale à la moyenne des valeurs de conductivité électrique mesurées par les différents dispositifs de mesure utilisés.

La conductivité électrique du milieu réactionnel peut être mesurée à l'intérieur du réacteur.

Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l'invention, particulièrement avantageux d'un point de vue pratique, la mesure de la conductivité électrique du milieu réactionnel contenu dans le réacteur est réalisée par mesure de la conductivité électrique d'un effluent obtenu en sortie du réacteur lors de la mise en œuvre de la fermentation. Il a été constaté par les présents inventeurs que la conductivité électrique d'un tel effluent en sortie du réacteur est représentative de la conductivité électrique du milieu réactionnel à l'intérieur du réacteur, dans la mesure où les espèces ioniques responsables de cette conductivité électrique sont solubles dans cet effluent.

Lorsqu'un caractère non conforme est attribué au milieu réactionnel contenu dans le réacteur, le procédé selon l'invention peut comprendre une étape d'arrêt du fonctionnement du réacteur. Dans des modes de mise en œuvre particuliers de l'invention, le procédé de contrôle comprend, lorsqu'un caractère non conforme est attribué au milieu réactionnel contenu dans le réacteur, une étape de modification de ce milieu réactionnel pour y diminuer la concentration en espèces ioniques. Une telle action, dite correctrice, peut notamment consister en une dilution du milieu réactionnel au moyen d'un co-substrat organique, qui assure un renouvellement partiel du milieu réactionnel.

Le réacteur de fermentation peut être de tout type classique en lui- même pour la production, par fermentation sombre en conditions anaérobies, et de préférence en culture bactérienne mixte, de dihydrogène gazeux ou d'autres produits métaboliques susceptibles d'être obtenus par hydrolyse et/ou acidogénèse biologiques, à partir de biomasse organique, notamment de carbohydrates.

Il peut aussi bien s'agir d'un réacteur maintenu sous agitation, d'un réacteur anaérobie à flux ascendant ou descendant, d'un réacteur à lit fluidisé, d'un réacteur fonctionnant en mode discontinu (batch) ou en continu avec des temps de fonctionnement variables, que de tout autre type de réacteur connu de l'homme du métier pour cette application.

Le procédé selon l'invention peut être appliqué pour le contrôle d'un réacteur dans lequel il est réalisé la fermentation de tout type de substrat fermentescible, notamment de substrats riches en (poly)saccharides, tels que les fractions fermentescibles des sous-produits d'origine agricole, les eaux résiduaires des industries agro-alimentaires, ou encore les fractions fermentescibles des déchets industriels ou ménagers, notamment des déchets solides.

Les conditions opératoires mises en œuvre dans le réacteur sont classiques en elles-mêmes.

Le milieu réactionnel contient ainsi des microorganismes de propriétés adéquates pour la production par fermentation du produit visé, notamment des microorganismes hydrolytiques et le cas échéant des microorganismes acidogènes, préférentiellement bactériens, dans un milieu de culture contenant les nutriments nécessaires à leur survie et à leur fonctionnement pour la fermentation d'un substrat fermentescible.

Préférentiellement, le milieu réactionnel contient une culture bactérienne mixte.

Les bactéries mises en œuvre dans le milieu réactionnel, dont le procédé selon l'invention vise à assurer le contrôle, sont, de manière classique en elle-même, des bactéries aptes à produire de l'hydrogène par fermentation de biomasse, en conditions anaérobies, ne nécessitant pas l'énergie de la lumière pour ce faire. Ces bactéries utilisent des systèmes d'enzymes réalisant l'hydrolyse des polymères constitutifs de la matière organique en monomères, puis le cas échéant l'acidogénèse de ces monomères pour former des produits métaboliques tels que des acides gras volatils et des alcools. Ce faisant, elles produisent du dihydrogène sous forme gazeuse dans le milieu réactionnel. Ces bactéries chimiotrophes peuvent être extrêmement diverses, et aussi bien mésophiles que thermophiles. Elles peuvent être du type anaérobies strictes ou facultatives.

A titre d'exemples, les bactéries mises en œuvre dans le milieu réactionnel du réacteur de fermentation peuvent être choisies parmi les espèces des genres bactériens Clostridium sp., Enterobacter sp., Bacillus sp. en conditions mésophiles, dans des conditions de température comprise entre 20 et 40 °C, ou du genre bactérien Thermoanaerobacter sp. en conditions thermophiles dans des conditions de température comprise entre 50 et 70 °C, ces espèces pouvant être mises en œuvre seules ou en mélange. Le milieu réactionnel contenu dans le réacteur de fermentation est classiquement un milieu aqueux, de type acide ou neutre.

Préférentiellement, le pH du milieu réactionnel est compris entre 5 et

7.

La température du milieu réactionnel est de préférence comprise entre 20 et 40 °C, adaptée aux bactéries mésophiles, ou entre 50 et 70 °C, la température étant alors plus particulièrement adaptée aux bactéries thermophiles.

Le taux de matière sèche contenu dans le réacteur de fermentation peut quant à lui, de manière classique, être inférieur ou égal à 30 %. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière des exemples de mise en œuvre ci-après, fournis à simple titre illustratif et nullement limitatifs de l'invention, avec l'appui des figures 1 à 3, dans lesquelles :

- la figure 1 montre un graphe représentant l'évolution du volume d'hydrogène produit lors d'une réaction de fermentation sombre d'un substrat fermentescible par des bactéries anaérobies (exprimée en ml par gramme de matières volatiles MV présentes dans le milieu réactionnel) en fonction de la conductivité électrique du milieu réactionnel, après introduction dans le milieu réactionnel de différents mélanges d'espèces ioniques à différentes concentrations (mélanges A, B, C, D et E) ;

- la figure 2 montre un graphe représentant l'évolution d'une part du rendement en hydrogène d'une réaction de fermentation sombre d'un substrat fermentescible par des bactéries anaérobies (exprimé en ml par gramme de matières volatiles MV présentes dans le milieu réactionnel), et d'autre part de la diminution du rendement en hydrogène par rapport à un contrôle non traité, en fonction de la conductivité électrique du milieu réactionnel, chaque point représentant la moyenne de trois points du graphe de la figure 1 associés à la même conductivité électrique ;

- et la figure 3 montre un graphe représentant l'évolution d'une part du rendement en métabolites (AGVs) d'une réaction de fermentation sombre d'un substrat fermentescible par des bactéries anaérobies (exprimé en gramme de demande chimique en oxygène DCO par litre de milieu réactionnel), et d'autre part de la diminution du rendement en métabolites par rapport à un contrôle non traité, en fonction de la conductivité électrique du milieu réactionnel, après introduction dans le milieu réactionnel de différents mélanges d'espèces ioniques à différentes concentrations (mélanges A, B, C, D et E) , chaque point correspondant à la moyenne de trois résultats obtenus pour des mélanges différents associés à la même valeur de conductivité électrique.

Matériel et méthodes Préparation du substrat et de l'inoculum

Le substrat est une fraction organique reconstituée de déchets ménagers solides, préparée fraîchement pour présenter la composition indiquée dans le tableau 1 ci-après.

Tableau 1 - Composition du substrat A cet effet, la viande, le riz, les pommes de terre et le marc de café ont été cuits et mélangés avec le yaourt et le pain. Les déchets de jardin, le papier et le carton ont été déchiquetés et tamisés à 1 cm.

La proportion de matières sèches (MS) et la proportion de matières volatiles (MV) du substrat ainsi obtenu sont d'environ 74 % (0,74 gMS/g) et 63 % (0,63 gMV/g), respectivement.

Le substrat a été préparé extemporanément pour chaque expérimentation, sans temps de stockage, afin d'obtenir un substrat identique pour les différentes expériences réalisées.

Un lixiviat riche en microbes a été prélevé de cellules méthanogènes de stockage de déchets domestiques solides. Les espèces bactériennes majoritaires initiales dans ce lixiviat sont des espèces des genres bactériens Clostridium et Bacillus. Le pH initial du lixiviat est mesuré à 7,64, avec un taux de matières sèches et un taux de matières volatiles de 2,05 % et 0,74 %, respectivement. Dans la mesure où ce lixiviat contenait une quantité importante d'ions ammonium (3,00 g/1 d'azote ammoniacal total), un prétraitement a été réalisé pour en éliminer l'azote ammoniacal, par bullage pendant 3 h à pH 9, à une température de 90 °C. L'efficacité d'élimination de l'azote ammoniacal a été de 95 %. Plus précisément, le prétraitement pour éliminer l'azote ammoniacal du lixiviat a été réalisé de la façon suivante.

La communauté microbienne a préalablement été extraite du lixiviat par centrifugation à 8 000 tr/min pendant 30 min afin de séparer la phase solide (bactéries) de la phase liquide. Le pH de la phase liquide a été ajusté à 9, puis la solution a été insérée dans une bouteille et une pompe péristaltique a été placée en entrée afin de produire un bullage à l'air. Un condenseur a été placé en sortie pour éviter l'évaporation de produit autre que l'air et le NH ₃ éliminé de la solution. La solution a été portée à 90 °C et le bullage maintenu pendant 3 h. Le pH de la solution a été ajusté selon les paramètres fixés lors des expérimentations, puis la communauté microbienne réintroduite dans la phase liquide.

Procédure expérimentale pour la fermentation

Chaque réacteur de fermentation est un réacteur batch de 500 ml, de volume de travail de 400 ml. Chaque expérience est réalisée à 37 °C à l'aide d'un bain-marie régulé par polystat, le pH du milieu réactionnel étant initialement fixé à une valeur de 6 au moyen d'hydroxyde de sodium (10 M).

Les quantités brutes totales de substrat et de lixiviat introduites initialement dans le milieu réactionnel sont de 14,6 g et 136 g, respectivement. Le milieu de culture contient 9,25 g de matières volatiles du substrat inoculé avec le lixiviat riche en microorganismes (0,46 g de matières volatiles), pour atteindre un rapport substrat / biomasse de 20 (sur la base de la matière volatile).

Le taux de matière sèche est de 3 %. Un flux d'azote est introduit dans chaque réacteur avant chaque expérience pendant 5 min pour en éliminer les traces d'oxygène.

Il est ensuite utilisé les mélanges d'espèces ioniques suivants :

Mélange A : NaCI, KH ₂ PO ₄ , LiBr, Kl, (NH ₄ ) ₂ SO ₄ , MnCI ₂ .4H ₂ O, MgSO ₄ .7H ₂ O

Mélange B : NaCI, KH ₂ PO ₄ , LiBr, Kl, (NH ₄ ) ₂ SO ₄ , LiCI Mélange C : NH ₄ CI

Mélange D : NH ₄ CI + NH ₄ H ₂ PO ₄ + (NH ₄ ) ₂ SO ₄

Mélange E : CaCI ₂ + KCI + NaCI

Dans chaque mélange, les différentes espèces ioniques sont présentes en concentrations molaires identiques. L'utilisation d'un mélange de plusieurs ions permet d'observer l'effet de la force ionique globale contenue dans le milieu réactionnel, tout en réduisant l'impact de chaque composé individuel.

Dans chacun des réacteurs, il est additionné l'un des mélanges ci- dessus, dans une concentration en espèces ioniques totale donnée (suivant une gamme de concentrations croissantes comprises entre 0 et 4 mol/l), puis la réaction de fermentation est laissée se produire dans l'obscurité.

Un contrôle est effectué suivant le même protocole expérimental mais sans ajout d'ions dans le milieu réactionnel.

Analyse de la production d'hydrogène La pression et la composition du gaz produit dans le réacteur sont mesurées périodiquement, toutes les 4 h, avec un micro-chromatographe gazeux automatique ^GC R3000, SRA Instrument) selon la méthode décrite dans Cazier et al., 2015, dans Bioresour. Technol. 190, 106-1 13. Toutes les mesures effectuées en ligne sont ensuite récupérées sur un Système d'Information pour l'Expérimentation (SILEX). Ce système permet d'acquérir et de visualiser l'analyse de la composition des gaz ainsi que la pression obtenue dans les réacteurs fonctionnant en mode discontinu (batch). L'hydrogène accumulé dans le réacteur est estimé en utilisant la loi des gaz parfaits et la pression du réacteur, selon l'équation 1 :

(Equation 1 ) où n _H 2 est le nombre de moles d'hydrogène, V _H s le volume d'espace de tête du réacteur (m ³ ), P la pression dans le réacteur (Pa), R la constante universelle des gaz parfaits (J/mol.K), T la température (K) et %H ₂ la proportion d'hydrogène dans l'espace de tête du réacteur.

Les données de production d'hydrogène sont introduites dans une équation de Gompertz modifiée (Equation 2 ci-dessous) pour déterminer les 3 paramètres suivants : potentiel d'hydrogène, taux de production d'hydrogène maximal, et temps de latence, selon la méthode décrite dans la publication de Chen et al., 2006, dans Int. J. Hydrogen Energy, 31 , 2170-2178. L'équation de Gompertz est ajustée sous le package R grofit suivant une méthode de régression non linéaire.

(Equation 2) où H(t) est le volume d'hydrogène cumulé (ml) au temps t, H est le potentiel d'hydrogène (ml), R est le taux maximal de production d'hydrogène (ml/h/j), λ est le temps de latence, e le nombre d'Euler et t le temps.

Le rendement en hydrogène est déterminé à partir du volume d'hydrogène cumulé et de la quantité de matières volatiles issue du substrat (9,25 gMV) selon l'Equation 3 : H i t)

Rdttë-.. =

fïïMV

(Equation 3)

où RdtH ₂ est le rendement en hydrogène (mlH ₂ /gMV), H(t) est le volume d'hydrogène cumulé (ml) et mMV est la quantité de matières volatiles dans le milieu (g). La diminution du rendement en hydrogène est calculée et correspond au rapport entre le rendement en hydrogène obtenu lors du contrôle et le rendement en hydrogène observé lors des différentes additions de chacun des mélanges.

Analyse de la production d'acides gras volatils La quantité d'acides gras volatils (AGVs) dans le milieu réactionnel est mesurée au début et en fin de chaque expérience. Chaque expérience dure environ 7 jours.

Au début et à la fin de chaque fermentation, deux prélèvements de 2 mL sont effectués dans le milieu réactionnel, puis les échantillons sont centrifugés à 13 400 rpm pendant 15 min.

Le surnageant stocké à -20 °C permet de réaliser l'analyse des AGVs par chromatographie en phase gazeuse (CPG), ainsi que l'analyse des autres métabolites tels que l'éthanol et le lactate par chromatographie en phase liquide à haute performance (HPLC). Les concentrations en acides gras volatils sont déterminées par chromatographie en phase gazeuse au moyen d'un chromatographe Perkin Clarus® 580 avec une colonne crossbond ® carbowax® Elite-FFAP de 15 m reliée à un détecteur à ionisation de flamme à 280 °C, en utilisant l'azote à 6 ml/min en tant que gaz vecteur, comme décrit dans la publication de Motte et al., 2014 , dans Ind. Crops Prod. 52, 695-701 .

Mesure de la conductivité électrique La conductivité électrique est mesurée sur des échantillons de milieu réactionnel prélevés en début et fin de chaque expérimentation à l'aide d'un conductimètre WTW modèle LF325 A/SET.

Expérience 1 - Analyse de la production d'hydrogène Chacun des mélanges d'espèces ioniques A à E est introduit dans le réacteur de fermentation dans une concentration d'une gamme de concentration comprise entre 0 et 4,0 mol/L

La conductivité électrique et le volume d'hydrogène dans le réacteur sont déterminés, pour chacun des mélanges et des concentrations d'espèces ioniques testés, à la fin de l'expérimentation.

Pour chacun de ces mélanges A à E, il est établi le graphe présenté sur la figure 1 , montrant le volume d'hydrogène dans chaque réacteur (exprimé en ml par g de matières volatiles dans le réacteur) en fonction de la conductivité électrique du milieu réactionnel mesurée. On y observe que, quel que soit le mélange d'espèces ioniques en présence dans le milieu réactionnel, la quantité d'hydrogène produite chute brutalement pour une conductivité électrique d'environ 55 mS/cm.

A partir de ces mesures, il est par ailleurs établi le graphe présenté sur la figure 2, montrant le rendement en hydrogène (exprimé en ml d'hydrogène par g de matières volatiles dans le réacteur) et la diminution de rendement en hydrogène, par rapport au contrôle, en fonction de la conductivité électrique du milieu réactionnel mesurée, chaque point de ce graphe correspondant à la moyenne de trois points du graphe de la figure 1 associés à la même valeur de conductivité électrique. On y observe clairement, entre les valeurs de conductivité électrique de 10,2 et 55,6 mS/cm, un plateau pour ce qui concerne le rendement en hydrogène. Puis, au-dessus de la valeur seuil de 55,6 mS/cm, la production d'hydrogène diminue de 50% en comparaison de la production observée lors du contrôle. De plus, au-dessus de cette valeur seuil, on constate une forte variabilité de la production d'hydrogène. La valeur de l'écart-type, calculée selon l'Equation 4 ci-dessous, est en effet supérieure à la valeur du rendement.

(Equation 4)

où x est la moyenne de l'échantillon et n est la taille de l'échantillon. Expérience 2 - Analyse de la production d'acides gras volatils

Il est calculé le rendement de production d'acides gras volatils (métabolites) lors de la réaction de fermentation, qui correspond à la quantité totale de ces acides accumulés durant l'expérimentation (exprimée en g de demande chimique en oxygène DCO) en fonction de la quantité de substrat ajouté (quantité de matières volatiles), pour chacun des mélanges d'espèces ioniques A à E et chacune des concentrations en espèces ioniques testées.

La diminution du rendement en métabolites est estimée et correspond au rapport entre le rendement en métabolites totaux obtenu pour le contrôle et le rendement en métabolites totaux observé lors des différentes additions de chacun des mélanges d'espèces ioniques.

A partir de ces mesures, il est établi le graphe présenté sur la figure 3, montrant le rendement en métabolites (acides gras volatils) et la diminution de rendement en métabolites, en fonction de la conductivité électrique du milieu réactionnel mesurée. Sur ce graphe, chaque point correspond à la moyenne de trois résultats obtenus pour les différents mélanges d'espèces ioniques testés, ces trois résultats étant associés à la même valeur de conductivité électrique.

On y observe qu'entre les valeurs de conductivité électrique de 10,8 et 46,13 mS/cm, le rendement en métabolites est proche du rendement trouvé pour le contrôle : l'abattement en termes de rendement est inférieur à 30 %, avec une faible variabilité de la production de métabolites. Puis au-dessus de la valeur seuil de 46,13 mS/cm, la production de métabolites diminue brusquement de plus de 30 %, et une forte variabilité du rendement est observée.