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PROCÉDÉ DE PRODUCTION DE MOLÉCULES ORGANIQUES A PARTIR DE
BIOMASSE FERMENTESCIBLE
La présente invention concerne un procédé de production de molécules à partir
de biomasse fermentescible. Cette production est réalisée à partir de biomasse
jusqu'à
la production de molécules présentant un intérêt et directement utilisables,
de façon
similaire à une production de molécules dans une bioraffinerie. Ici, le
procédé comprend,
entres autres, une étape de fermentation anaérobie.
Par biomasse fermentescible, on désigne ici un substrat organique,
avantageusement mais non exclusivement, non alimentaire, obtenu à partir de
déchets,
sous-produits et coproduits formés de matières organiques, c'est-à-dire de la
biomasse,
issue des activités humaines, qu'elles soient domestiques, industrielles,
agricoles,
forestières, aquacoles, agro-industrielles ou issue de l'élevage. A titre
d'exemple non
limitatif, on peut citer comme substrat organique les fumiers, la fraction
organique des
ordures ménagères, les coproduits d'abattoir, des résidus cellulosiques ou
ligno-cellulosiques provenant de l'agro-industrie tels ceux issus de la
transformation de
la canne à sucre (bagasse), du tournesol ou du soja.
Par fermentation anaérobie on entend une fermentation réalisée dans des
conditions anaérobies par des microorganismes, eucaryotes ou procaryotes, tels
que
des bactéries, des champignons, des algues ou des levures.
Le terme molécule désigne ici, mais non exclusivement, des molécules dites
précurseurs. Ces précurseurs permettent par la suite la production d'autres
molécules
qui présentent un intérêt énergétique et/ou chimique supérieur à celui des
précurseurs,
étant entendu qu'il s'agit de molécules organiques. On peut citer comme
molécules
ayant un intérêt énergétique et/ou chimique, par exemple, des molécules ayant
une
chaine carbonée telles que des acides, des hydrocarbures, du méthane, des
esters, des
alcools, des amides ou des polymères.
Aujourd'hui, les molécules ayant un intérêt énergétique et chimique sont
généralement issues de matières premières fossiles, telles les hydrocarbures.
Leur
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production à partir de matières premières renouvelables, comme la biomasse,
est donc
une solution intéressante du point de vue économique et écologique. On connait
ainsi
des procédés de production d'un type donné de molécules à partir de substrat
organique.
On peut citer par exemple la production d'éthanol, qui est un composant
important des
biocarburants de première génération pour les véhicules, à partir de biomasse,
essentiellement alimentaire telle que le maïs, le blé, la betterave ou la
canne à sucre. De
tels procédés, non seulement, ne produisent qu'un monotype de molécule
valorisable
mais une partie importante du carbone du substrat est transformée en coproduit
de faible
intérêt, comme le dioxyde de carbone. De plus, la récupération, par des moyens
divers,
des molécules ayant un intérêt conduit à la production d'une quantité
importante de
déchets, ce qui génère des problèmes environnementaux. Par ailleurs, les
microorganismes utilisés dans de tels procédés sont généralement des
microorganismes
génétiquement modifiés. Pour remédier à cela on connait des procédés visant à
produire,
par fermentation de la biomasse généralement prétraitée ou alimentaire, des
molécules
dites précurseurs. Ces molécules sont par la suite transformées, par des voies
chimiques connues, en différentes molécules utilisables. La transformation en
molécules
finales s'effectue postérieurement et indépendamment de la phase de production
de ces
molécules dites précurseurs.
US-A-6 043 392 décrit un tel procédé permettant de produire des cétones par un
traitement thermique des sels d'acides gras volatils obtenus par fermentation
anaérobie.
Une partie des acides gras volatils est également convertie en hydrocarbures,
en
aldéhydes, en alcools. Outre un nombre limité de produits finaux obtenus par
un tel
procédé, il s'avère qu'il s'effectue en deux étapes distinctes, à savoir la
fermentation puis
le traitement des sels d'AGV. En d'autres termes, le procédé n'est pas
continu. Il est
connu que la production d'acides gras volatils effectuée par une fermentation
anaérobie
induit une acidification du milieu préjudiciable aux microorganismes.
L'acidification du
milieu induisant une inhibition des microorganismes, donc un ralentissement
voir un arrêt
de la fermentation, Il est nécessaire de travailler en discontinu. Pour cela,
les AGV sont
extraits après un temps de fermentation donné. On connait également par
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US-A-4 358 537 un procédé, in situ, de production de carbohydrates à partir
d'une
parcelle de tourbe. Ici, les AGV ne sont pas un produit recherché en tant que
précurseur.
De façon similaire, US-A-2013/309 740 décrit une fermentation anaérobie dont
l'objet est
la production de méthane, les AGV étant un déchet à éliminer. Ces procédés ne
permettent donc pas une production rapide et en continue de molécules dites
précurseurs, le rendement n'étant pas optimal.
Or, dans le cadre d'un procédé industriel de production de molécules par
fermentation à partir de biomasse, il est important, pour garantir la
productivité de
l'installation, d'avoir un procédé dont le rendement et l'adaptabilité à la
production de
différentes molécules sont, non seulement, aussi élevés que possible mais
surtout
réguliers, maitrisés tout en limitant la production de déchets et d'effluents
à traiter
ultérieurement. Ceci est d'autant plus important que les substrats organiques
utilisés
comme biomasse fermentescible sont principalement d'origine agricole,
industrielle,
domestique et/ou agro-alimentaire afin de garantir des volumes importants. De
ce fait, on
observe une grande variabilité, qualitative et quantitative, du substrat, cela
en fonction de
divers facteurs tels que le lieu ou la saison.
L'invention vise plus particulièrement à remédier à ces inconvénients en
proposant un procédé permettant de produire de manière régulière et maitrisée
diverses
molécules dites biosourcées, c'est-à-dire issues de la biomasse, cela dans une
approche
de type bioraffinerie.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de production de molécules
organiques à partir de biomasse fermentescible, comprenant une étape de
fermentation
anaérobie, ladite fermentation produisant des métabolites fermentaires dits
précurseurs,
tels des acides gras volatils, ces métabolites dits précurseurs étant
transformés en
molécules organiques finales par voie non fermentaire, le procédé comprenant
au moins
une étape consistant à conduire la fermentation d'un substrat organique formé
par de la
biomasse fermentescible dans un réacteur de fermentation jusqu'à la production
comme
métabolites fermentaires d'acides gras volatils (AGV) ayant une chaine
carbonée de 1 à
8 carbones, caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivantes :
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- a) extraire, entre le début de production et le maximum de production
desdits acides
gras volatils, au moins une partie des acides gras volatils du milieu de
fermentation de
sorte que la production de métabolites fermentaires par les microorganismes
n'est pas
affectée et introduire au moins une partie de la phase liquide, contenant des
microorganismes, issue de l'extraction dans le réacteur de fermentation,
- b) synthétiser des molécules organiques à partir des métabolites
fermentaires produits
dans le réacteur de fermentation ou des acides gras volatils extraits à
l'étape a),
- c) poursuivre les étapes a) à b) jusqu'à l'obtention, en quantité et en
qualité, des
molécules organiques finales.
Un tel procédé permet de produire des métabolites fermentaires dits
précurseurs, à
savoir des acides gras volatils, en continu et en préservant la population de
microorganismes présents dans le bioréacteur. En effet, l'étape d'extraction
permet non
seulement d'éviter l'accumulation d'acides gras volatils dans le milieu mais
également de
préserver les microorganismes, l'extraction étant effectuée dans des
conditions non
létales pour la totalité des microorganismes. En d'autres termes, l'extraction
est
biocompatible c'est-à-dire qu'elle n'interfère pas et ne dégrade pas le milieu
biologique
dans lequel elle est effectuée. De cette manière, on s'affranchit des
problèmes liés à
l'accumulation des précurseurs dans le réacteur de fermentation, par exemple
de
l'acidification du milieu de fermentation par accumulation des acides gras
volatils
produits qui sont nocifs pour les microorganismes. On maintient à un niveau
élevé,
proche du niveau initial, l'activité des microorganismes tout au long du cycle
de
fermentation, la plupart des microorganismes n'étant pas inhibée par cette
étape
d'extraction.
Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l'invention, un tel
procédé
peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes:
- avant l'étape a), on inocule dans le réacteur de fermentation un mélange de
microorganismes provenant d'écosystèmes naturels définis.
- Les étapes a) à c) sont réalisées en continu.
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- Les résidus issus du procédé sont adaptés pour être utilisés comme
amendement,
fertilisants ou comme coproduit tel que le méthane.
L'invention concerne également une installation de mise en oeuvre d'un procédé
conforme à l'une des caractéristiques précédentes, caractérisée en ce qu'elle
comprend
au moins :
- un réacteur de fermentation,
- un organe d'extraction propre à assurer l'extraction des acides gras
volatils
contenus dans la phase liquide produite lors de la fermentation et
- un organe de synthèse, tel qu'un réacteur chimique ou une cellule
d'électrolyse,
propre à assurer la synthèse des métabolites fermentaires obtenus lors de la
fermentation en molécules organiques finales.
Selon des aspects avantageux mais non obligatoires une telle installation peut
comprendre les caractéristiques suivantes :
- Elle comprend au moins un organe de stockage du substrat.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaitront
plus clairement à la lecture de la description de plusieurs modes de
réalisation de
l'invention, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux
dessins
suivants dans lesquels:
- La figure 1 est un schéma simplifié représentatif du procédé objet de
l'invention.
Les différentes étapes du procédé sont maintenant décrites en référence à
plusieurs modes de réalisation, étant entendu que les étapes connues en soi ne
sont pas
détaillées. En particulier, il sera fait référence par la suite au diagramme
de la figure 1
comme illustrant un mode avantageux de réalisation de l'invention. En
particulier, le
procédé est décrit dans le cas du régime permanent de la fermentation. En
effet, les
étapes relatives au démarrage de la fermentation sont connues en soi.
Tout d'abord le substrat 1 utilisé ici est, avantageusement, non traité, à
savoir
qu'il n'a subi aucun prétraitement physico-chimique ou enzymatique. En
variante, le
substrat 1 peut avoir subi un traitement mécanique, par exemple un broyage 2,
facilitant
l'action des microorganismes sur le substrat. Celui-ci est majoritairement
constitué par
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de la biomasse 3 issue des activités humaines. A titre d'exemple non
limitatif, on peut
citer les déchets agricoles ou végétaux (paille, bagasse, drèche de maïs,
herbes, bois,
tonte) les déchets papetiers (carton, papier), les déchets agroalimentaires,
les déchets
d'abattoirs, la fraction organique des ordures ménagères, les effluents
d'élevage (fumiers,
lisiers, fientes), les algues, les déchets d'aquaculture, les déchets
d'activité forestière ou
les coproduits fermentescibles de l'industrie cosmétique. Dans un autre mode
de
réalisation, le substrat 1 a subi un prétraitement physico-chimique ou
enzymatique, bien
que ce mode ne soit pas un mode de réalisation préféré.
De manière préférée mais non limitative, le substrat 1 est utilisé tel qu'il
est
fourni, pour autant que son pouvoir fermentescible soit préservé. Ce pouvoir
fermentescible est caractérisable par le potentiel méthanogène de la biomasse,
couramment désigné par l'acronyme en langue anglaise BMP (Biochemical Methane
Potential). Une déshydratation contrôlée, telle que décrite dans la demande de
brevet
FR1302119 déposée par la demanderesse permet de maintenir sur une période de
plusieurs mois ce pouvoir fermentescible.
Certains substrats contiennent également des molécules organiques, telles des
acides organiques, qui n'influeront pas, ou de façon marginale, sur le procédé
de
fermentation. En revanche, ces molécules peuvent se retrouver dans le milieu
de
fermentation et participer, par exemple au titre de précurseur, à la
production des
molécules organiques finales.
Avec certains types de substrat, il peut être avantageux d'incorporer des
nutriments et/ou des composés minéraux afin d'augmenter la croissance
bactérienne
et/ou de réguler le pH du substrat et/ou des coproduits favorisant la
production d'AGV ou
d'autres molécules. A titre d'exemple, on peut citer l'ajout, en faible
quantité, de NaOH,
KOH, Ca(OH)2, K2HP03, KH2P03, de glycérol ou de solutions de vitamines ou
d'oligoéléments. Cet ajout est représenté par la flèche A.
Le substrat est introduit dans un réacteur de fermentation 4, connu en soi et
dimensionné pour la production souhaitée, que cette dernière soit à l'échelle
du
laboratoire pour effectuer des essais ou à l'échelle industrielle dans le cas
d'une
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production. En d'autres termes, le réacteur de fermentation 4 ou bioréacteur a
un volume
variant de quelques litres à plusieurs centaines de mètres cubes, selon les
besoins.
Des microorganismes sont, de manière avantageuse mais non obligatoire,
introduits au préalable dans le réacteur de fermentation 4, au moins lors du
démarrage,
en quantité suffisante pour initier la fermentation. On conçoit que la
quantité de
microorganismes introduite dépend, entre autres, du substrat. Ces
microorganismes
sont inoculés sous forme d'un consortium, illustré par la flèche M. Par le
terme
consortium, on désigne un mélange ou mix de microorganismes, eucaryotes ou
procaryotes, qu'il s'agisse de bactéries, levures, champignons ou algues. Ces
microorganismes M proviennent essentiellement d'écosystèmes naturels propres à
réaliser une fermentation dans des conditions anaérobies. A titre d'exemple
non limitatif,
on peut citer comme écosystèmes la zone anaérobie des milieux aquatiques comme
la
zone anoxique de certains lacs, les sols, les marais, les boues d'épuration,
le rumen des
ruminants ou l'intestin des termites. Il convient de garder à l'esprit que la
distribution
qualitative et quantitative des différents types et espèces de microorganismes
dans le
consortium M n'est pas connue précisément et surtout peut varier dans des
proportions
importantes. Il s'avère que cette diversité qualitative et quantitative des
microorganismes
apporte, de façon surprenante, une robustesse et une adaptabilité au procédé
de
fermentation permettant d'assurer une utilisation optimale des substrats, quel
que soit la
composition de ces derniers et cela dans des conditions de fermentation
variables.
Par ailleurs, du fait que le substrat 1 est utilisé tel quel, c'est-à-dire
qu'il n'est pas
stérilisé ou, plus généralement, qu'il n'est pas débarrassé des
microorganismes qu'il
contient préalablement à son introduction dans le bioréacteur, il s'avère que
ces
microorganismes endémiques au substrat 1 sont, de facto, incorporés dans le
consortium M ou du moins associés à ce dernier dans le bioréacteur 4.
On observe par ailleurs une fluctuation importante non seulement entre les
différents consortia ayant la même provenance mais également au sein d'un même
consortium lors de la fermentation. Les travaux des inventeurs (Pessiot et al.
Fed-batch
Anaerobic Valorization of Slaughterhouse By-products with Mesophilic Microbial
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Consortia Without Methane Production. Applied Biochemistry and Biotechnology,
6
janvier 2012) ont montré que cette fluctuation est due à des vagues
successives de
population de microorganismes mais que ces populations sont, globalement,
similaires
en activité et en types de microorganismes, sur une période donnée. De ce
fait, il y a une
relative constante dans les produits de la fermentation, au moins
qualitativement.
La fermentation 5 en vue de produire des acides gras volatils présente, selon
le
procédé de l'invention, des caractéristiques intéressantes comme le fait de se
dérouler
en condition non stérile. Le consortium M de microorganismes permet d'utiliser
de façon
optimale le substrat 1, cela sans ajout de produits tels que des enzymes. Par
ailleurs, la
fermentation 5 a lieu en condition anaérobie, plus précisément lorsque le
potentiel redox
est inférieur à -300mV, avantageusement compris entre -550mV et -400mV,
lorsque le
pH est inférieur à 8, préférentiellement compris entre 4 et 7. Ainsi, la
fermentation 5 est,
avantageusement, limitée à la production de métabolites fermentaires dits
précurseurs,
donc d'acides gras volatils ou AGV. Il s'agit, en fait, de réaliser, dans un
réacteur de
fermentation 4, une réaction similaire au phénomène d'acidose que l'on
rencontre chez
les ruminants tout en limitant au maximum la production de méthane qui est,
généralement, un des métabolites finaux obtenu à l'issue d'une telle
fermentation
anaérobie.
La fermentation 5 menée, selon l'invention, avec le consortium M permet, à la
différence
des fermentations avec des souches définies, de dégrader non seulement les
sucres
(pentoses, hexoses ou autres) présents dans le substrat 1 mais également la
majeure
partie des composants du substrat 1 tels que les protéines, les acides
nucléiques, les
lipides, des acides carboxyliques. Ainsi, le rendement d'une telle
fermentation 5 est
particulièrement élevé, la production de déchets étant faible. La fermentation
de
molécules complexes telles des protéines est particulièrement intéressante car
elle
permet, entre autres, la production d'acide isobutyrique, d'acide 2-méthyl
butyrique et
d'acide isovalérique. Ces acides gras volatils ramifiés sont des précurseurs à
fort
potentiel pour la production de molécules ramifiées comme des hydrocarbures
ramifiés
qui présentent des avantages en tant que carburant. En d'autres termes, la
fermentation
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produit, parmi les différents composés générés, des précurseurs pour une
synthèse de
bio-carburants et de biomolécules d'intérêt pour la chimie.
Plus précisément, cette fermentation 5 conduit, dans un premier temps, à la
formation d'acides gras volatils ayant de un à huit carbones, principalement
de deux à
5 quatre carbones tels que l'acide acétique, l'acide propionique et l'acide
butyrique. On
obtient aussi des acides gras volatils à plus longue chaine, donc supérieure à
quatre
carbones, tels que les acides valérique et caproïque, heptanoïque ou
octanoïque. En
poursuivant la fermentation et/ou en augmentant la quantité de microorganismes
dans le
bioréacteur 4, si besoin avec des microorganismes sélectionnés, il est
possible de
favoriser la production d'AGV à longue chaine carbonée, donc supérieure à
quatre
carbones. En d'autres termes, les métabolites produits en quantité lors de la
fermentation 5 sont des acides gras volatils majoritairement de deux à six
carbones.
Il est à noter qu'il est également possible d'ajouter dans le réacteur de
fermentation 4 des acides carboxyliques à longues chaines carbonées (08 à 022)
qui
seront fermentés ou transformés, lors des étapes ultérieures de transformation
chimiques, en hydrocarbures comme l'octane et le kérosène. Ces acides
carboxyliques
peuvent être ajoutés, selon la flèche C, sous leur forme brute ou bien par le
biais de
substrats les contenant comme certains produits végétaux qui contiennent des
huiles. A
titre d'exemples non restrictifs, on peut citer les huiles de tournesol, de
soja, de noix de
coco, de palmiers à huile, de cacahuète ou de Jatropha. Ces acides
carboxyliques ou
ces huiles sont, avantageusement, incorporés au substrat 1.
La fermentation 5 peut être conduite en mode discontinu ou batch, en
continu-discontinu ou fed-batch ou encore en continu dans un seul ou dans
plusieurs
réacteurs de fermentation disposés en série.
La fermentation 5 est réalisée en utilisant des techniques de fermentation
classiques pour générer des conditions anaérobies. Pour cela l'utilisation
d'une
atmosphère sous dioxyde de carbone est préférée, même si d'autre gaz comme
l'azote
ou l'argon peuvent être envisagés pour réaliser les conditions d'anaérobiose.
La
température au sein du ou des réacteur(s) de fermentation 4 est comprise entre
20 et
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60 C, préférentiellement entre 35 et 42 C. Le pH et inférieur à 8,
préférentiellement
entre 4 et 7. Le potentiel redox est inférieur à -300mV, avantageusement
compris entre
-550mV et -400mV. Les moyens de gestion et de maintien de la température et du
pH
sont connus en soi.
La fermentation 5 est maintenue un temps suffisant pour produire des acides
gras volatils en phase liquide, illustré par la référence 6. Le temps de
fermentation varie,
entre autres, en fonction du substrat 1, des microorganismes M présents, de la
concentration initiale en AGV et des conditions de fermentation. Typiquement,
la période
de fermentation est comprise entre 1 et 7 jours, préférentiellement entre 2 et
4 jours. La
concentration en AGV 6 obtenue dans le milieu de fermentation à l'issue de
cette période
est variable, mais est généralement de l'ordre de 10 à 20 g/L, selon les
acides gras
volatils, étant entendu que dans certaines conditions elle peut être
supérieure à 35 g/L
par exemple voisine de 50 g/L. A la fin de l'étape de fermentation, le milieu
de
fermentation est à un pH acide, qui est généralement compris entre 4 et 6.
On conçoit que la fermentation 5 produit d'autres composés, en particulier des
gaz 7, tels le dioxyde de carbone, l'hydrogène ou le méthane qui,
avantageusement,
sont récupérés et utilisés de manière connue, selon la référence 8.
Le dioxyde de carbone est, par exemple, réintroduit dans le réacteur de
fermentation 4 afin de participer au maintien des conditions anaérobies. En
variante, il
est utilisé comme source de carbone pour la production de biomasse
photosynthétique.
D'autres métabolites sont produits, par exemple de l'acide lactique, des
esters, des
alcools. Ces deniers peuvent, soit être réintroduits dans le bioréacteur 4,
pour poursuivre
la fermentation 5, soit être utilisés pour d'autres applications, tels quels
ou après
transformation.
L'étape suivante est l'extraction 9 des acides gras volatils 6 ainsi formés.
Ces
derniers, par des réactions connues en soi, produiront, lors d'une étape
suivante 10, des
molécules dites biosourcées, selon les besoins définis. En variante, comme
indiqué
précédemment, ils forment un substrat pour une fermentation dite secondaire
pour
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produire des acides gras volatils à plus longue chaine carbonée. Cette
fermentation peut
être menée dans le même réacteur, dans la continuité de la première
fermentation, ou,
en variante, dans un autre réacteur. A titre d'exemple, on peut citer la
fermentation
secondaire, par certains microorganismes tels que Megasphaera edelsnii ou
Clostridium
kluyveri, des acides acétique et butyrique en acides caproïque et caprylique.
Une telle
fermentation permet ainsi d'augmenter les quantités en certains AGV présents
initialement en quantité limitée.
Dans tous les cas, les acides gras volatils 6 produits en phase liquide par la
fermentation 5 anaérobie et qui sont, au moins en partie, extraits le sont
dans des
conditions telles que l'extraction 9 n'affecte pas, ou du moins de manière
marginale, la
production d'acides gras volatils par les microorganismes présents dans le
milieu de
fermentation. Lorsque l'on extrait du milieu de fermentation des acides gras
volatils, de
facto on réduit l'acidification du milieu par ces acides.
De manière avantageuse, dans la mesure où la méthode d'extraction retenue
n'est pas létale pour la totalité des microorganismes, il s'avère que la phase
liquide
résiduelle 11, après l'extraction 9, contient également une certaine quantité
de
microorganismes vivants, donc potentiellement actifs. Comme dans cette phase
liquide
11 il y a une concentration en acides gras volatils 6 inférieure à celle du
milieu de
fermentation, il est donc possible de la réinjecter dans le réacteur de
fermentation 4.
Ainsi, non seulement on dilue les acides gras volatils présents dans le milieu
en cours de
fermentation 5, on élève le pH du milieu mais on réensemence également le
milieu avec
des microorganismes, assurant la fermentation 5, cela par extraction 9 des
composés
acides 6.
Une telle solution permet d'optimiser le rendement de la fermentation 5 et de
réaliser une fermentation en continue, cela en abaissant les temps de réaction
et en
limitant la production de déchet afin de tendre vers le zéro déchet.
L'extraction 9 est, avantageusement effectuée en phase liquide. Elle est
conduite
en continue ou de manière séquentielle, par exemple avec une extraction toutes
les 12h
heures. Dans tous les cas, l'extraction d'une partie des acides gras volatils
est réalisée
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entre le début de production et le maximum de production des métabolites.
Avantageusement, l'extraction est effectuée au voisinage du seuil d'inhibition
des
microorganismes par les acides gras volatils. Ce seuil est fonction, entre
autres, du
substrat et des conditions de fermentation. De même, l'introduction de la
phase liquide
issue de l'extraction est réalisée dans un délai permettant de maintenir un
niveau élevé
de production des acides gras volatils, c'est-à-dire proche du niveau auquel
l'extraction a
été faite.
Une fois extraits 9, les acides gras volatils 6 sont purifiés 12 et/ou
transformés,
selon l'étape référencée 10, en d'autres produits, tels que des alcanes, des
alcènes, des
amides, des amines, des esters, des polymères par des techniques connues en
soi
comme la distillation, l'électrosynthèse, l'estérification, l'amidation ou la
polymérisation.
De façon concomitante, en variante avantageuse, une partie des acides gras
volatils 6 produits lors de la fermentation 5 n'est pas extraite mais subit
une étape
d'électrosynthèse 13 ou synthèse par électrolyse. On produit ainsi des
hydrocarbures,
prioritairement à partir des acides gras volatils à longue chaine carbonée
jusqu'à
l'acétate.
L'étape d'électrosynthèse 13 permet de convertir des acides gras volatils 6
produits en de grandes quantités de composés 14 gazeux et liquides via les
réactions,
connues, de décarboxylation électrochimique de Kolbe et/ou d'Hofer-Moest. Ces
deux
réactions se produisent simultanément durant la synthèse par électrolyse mais
un
ajustement est possible pour favoriser l'une ou l'autre de ces réactions en
modifiant des
paramètres facilement contrôlables comme décrit plus loin. Divers métabolites
peuvent
être produits en jouant sur ces paramètres, ce qui permet une production
flexible de
différentes molécules, tant qualitativement que quantitativement.
L'électrosynthèse 13 permet de convertir les acides gras volatils directement
dans le milieu de fermentation. De ce fait, l'électrosynthèse est également un
moyen
d'extraction des acides gras volatils du milieu de fermentation.
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Lorsque d'autres molécules organiques telles que des acides carboxyliques ou
des alcools sont ajoutées aux acides gras volatils, l'éventail d'hydrocarbures
et de
produits pouvant être formés s'élargit.
Etonnamment, la demanderesse a constaté que l'étape d'électrosynthèse peut
être réalisée dans le milieu de fermentation, dans des conditions de réaction
douces, à
température et à pression ambiantes, à 3V ou plus de 3V et à 1 mA/cm2 ou plus
de 1
mA/cm2 de densité de courant à l'anode, en utilisant, par exemple, des
électrodes de
platine ou de carbone, comme par exemple le graphite.
Concernant les conditions d'électrosynthèse, le pH de la phase aqueuse
contenant les acides gras volatils se situe entre 2 et 11, préférentiellement
entre 5,5 et 8.
En conditions de pH acides ou neutres, la réaction de Kolbe fournissant des
alcanes est
favorisée, alors qu'en conditions de pH alcalines c'est la déprotonation
oxydative de la
réaction de Hofer-Moest fournissant des alcènes qui est favorisée.
Dans cette étape d'électrosynthèse 13, les AGV, donc des acides carboxyliques,
à chaines carbonées courtes et moyennes doivent être sous forme de
carboxylates pour
être utilisés. C'est pourquoi un pH faible tendra non seulement à diminuer la
concentration en acides gras volatils sous forme d'anions mais également la
solubilité
des acides carboxyliques ou AGV à chaine carbonée moyenne. Le pH peut être
ajusté,
entre autres, avec de la soude pour maintenir de fortes concentrations en
carboxylates
pour être soumis à l'électrolyse. En général, il n'y a pas besoin d'utiliser
de solvants
organiques, les milieux de fermentation étant de bons électrolytes pour
l'étape
d'électrosynthèse 13.
Des solvants organiques sont nécessaires quasi uniquement pour les réactifs
peu
solubles dans l'eau comme les acides carboxyliques ou AGV à longues chaines
carbonées. Dans ce dernier cas, le méthanol, l'éthanol et l'isopropanol
peuvent être des
solvants de choix. Alternativement, de par leur faible solubilité en solution
aqueuse, ces
acides carboxyliques ou AGV à longues chaines carbonées peuvent être
facilement
séparés et concentrés afin de subir l'étape d'électrolyse dans un deuxième
temps et
aboutir à de forts rendements en produits électrolytiques.
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Dans la mesure où il est possible, en variante non obligatoire, d'utiliser une
cellule d'électrolyse divisée, les produits formés respectivement à l'anode et
à la cathode
peuvent être facilement séparés.
Alternativement, tous les composés obtenus par électrosynthèse peuvent être
récupérés dans un seul récipient et séparés ou transformés par la suite.
Une fois collectés, les produits gazeux 15 formés à l'issue de
l'électrosynthèse
13 comme l'hydrogène, le dioxyde de carbone, les alcanes, les alcènes peuvent
être, à
titre d'exemple non limitatif, comprimés et séparés par liquéfaction gazeuse,
comme
indiqué précédemment sous la référence 8.
Dans un autre mode de réalisation, il est possible d'envisager l'utilisation
de
membranes semi-poreuses dans des cellules électrochimiques doubles pour
séparer les
deux électrodes. Aussi, les électrodes peuvent être placées très proches l'une
de l'autre
afin d'éviter les arcs électriques.
D'autre part, les produits 14 obtenus à l'issue de cette étape de conversion
électrochimique sont, entre autres, des mélanges d'hydrocarbures, de
l'hydrogène, du
dioxyde de carbone qui ne contiennent pas de contaminant par rapport, entre
autres, aux
gaz naturels issus de l'industrie pétrolière.
En variante, afin d'augmenter les rendements de la synthèse par électrolyse,
on
utilise des techniques supplémentaires comme, par exemple, les ultrasons, les
champs
magnétiques, du courant alternatif.
A l'issue de l'électrosynthèse 13, les résidus 16 d'AGV non transformés
repartent,
pour partie, à l'étape 6 pour être extrait, (étape 9) et/ou subir une nouvelle
électrosynthèse (étape 13). Une partie des résidus 16 est recyclé à l'étape
17, à savoir
gazéifiée, incinérée ou transformée. Les métabolites fermentaires, tels que
les acides
gras volatils et les substrats résiduels issus des différentes étapes de
fermentation 5,
extraction 9 ou électrosynthèse 13 sont méthanisés (étape 17) pour produire
des
fertilisants et des amendements, regroupés sous la référence 18 et du biogaz
19. Cette
étape de méthanisation 17 est, selon une approche d'écologie industrielle,
également
appliquée à une fraction 20 de résidus ou de substrats non fermentés. Ainsi,
on produit
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de l'énergie et de la chaleur, typiquement par cogénération. Cette production
d'énergie et
de chaleur est, au moins en partie, utiliser pour couvrir les besoins
énergétiques du
procédé.
Ainsi, le procédé de l'invention permet de produire, avantageusement en
continu, et avec un rendement élevé des molécules à base carbonée avec une
perte
minimale de carbone organique initial.
Les exemples suivants illustrent la mise en oeuvre du procédé objet de
l'invention avec différents substrats et conditions de fermentation.
Exemple 1 : Fermentation discontinue de coproduits d'abattoirs en bioréacteur
en
mode non stérile
Un réacteur de fermentation ou bioréacteur de 5L de volume utile contenant un
milieu de
culture anaérobie (0,5 g/L K2HPO4, 0,5 g/L KH2PO4, 1,0 g/L MgSO4, 0,1
g/LCaCl2, 1
mUL hémine et 5 mUL de vitamines) à une concentration de 100 g/L d'un mélange
de
déchets d'abattoirs non stérilisés (sang, viscères, matières stercoraires,
déchets de
viandes, en ratio 1/1/1/2) a été inoculé à une température de 38 C sous
agitation avec un
consortium de microorganismes naturels provenant d'écosystèmes anaérobies
comme la
zone anoxique de lac hyper-oligotrophe, tel le lac Pavin. Pendant 1042 heures
de
fermentation, neuf opérations de fed-batch et 6 ajouts de substrats carnés
(886 g de
matières sèches au total) non stériles ont été réalisés. Durant cette
fermentation, des
suivis des métabolites en phase liquide et en phase gazeuse ont été réalisés.
Les produits
de fermentation de la phase liquide ont été suivis et analysés. En fin de
fermentation, le
milieu de fermentation contenait 16 g/L d'acides gras volatils totaux. Le
rendement obtenu
est de 0,38 g d'AGVs totaux / g de matière sèche ajoutée au réacteur. Cet
exemple est à
considérer comme un essai de référence, aucune extraction et/ou
électrosynthèse
synthèse chimique, à la différence du procédé de l'invention, n'ayant été
réalisée.
Exemple 2: Fermentation semi-continue de fractions organiques d'ordures
ménagères en bioréacteur en mode non stérile.
On répète l'exemple 1 avec le même milieu de culture mais en utilisant un
substrat
composé de la fraction fermentescible des ordures ménagères à une
concentration de 50
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g/L de matière sèche en lieu et place des déchets d'abattoirs. De plus, et
conformément au
procédé de l'invention, des extractions sont menées sur le milieu au cours de
la
fermentation. Ici la fermentation se déroule sur plus de 2000 heures et
plusieurs
séquences d'extraction in situ sont réalisées dans le bioréacteur.
L'extraction est de type
liquide-liquide étant entendu que les acides gras volatils sont toujours
produits en phase
liquide et que le solvant mis en oeuvre pour cet exemple est le pentane. Ces
opérations ont
permis d'une part de diminuer la concentration finale en acides gras totaux
avec, par
exemple, une extraction où la concentration dans le réacteur est passée de
26,8 g/L à 20,1
g/L d'AGVs totaux (23% de diminution), ce qui permet de réduire l'acidité du
milieu et donc
de préserver une activité optimale du consortium M de microorganismes.
L'extraction
permet également de récupérer des acides gras volatils qui ont été utilisés
pour diverses
synthèses chimiques à l'instar de la production d'esters et d'amides.
Ces opérations d'extraction in situ ont permis de montrer la biocompatibilité
du
procédé, autrement dit la récupération séquentielle de métabolites d'intérêt
énergétique et
chimique, tels que des acides gras volatils, à partir de biomasse via un
procédé combinant
des étapes de fermentation et d'extraction. Cette biocompatibilité est
caractérisée par le
nombre de microorganismes par ml présents dans le bioréacteur déterminé par la
technique d'analyse de cytométrie en flux. Ces résultats sont, par exemple,
entre des
échantillons prélevés avant et après extraction in situ, de 2,3.108 à 8,0.107
microorganismes/ml, dans une série de mesures et de 2,9 à 2,3.108
microorganismes/mi
pour une autre série de mesures. Ceci montre qu'il y a une diminution de la
population de
microorganismes présents dans le bioréacteur, suite à l'extraction des acides
gras
volatils, mais que cette diminution n'entraine pas de destruction massive des
microorganismes. La population en microorganismes est suffisante,
quantitativement et
qualitativement, pour que les microorganismes soient actifs et qu'il n'y ait
pas, ou très peu,
de perte de l'activité fermentaire du consortium de microorganismes.
Dans un autre mode de réalisation, l'extraction peut être réalisée, sans
contraintes irréversibles, directement dans le réacteur de fermentation 4. Il
est possible
d'effectuer une fermentation 5 en mode continu avec l'extraction 9 des
métabolites
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inhibiteurs de fermentation, c'est-à-dire en extrayant les acides gras
volatils responsables
de l'acidose du milieu au fur et à mesure de leur production. En variante, ces
opérations
d'extraction peuvent être réalisées dans un second compartiment, ce dernier
pouvant être
situé dans le bioréacteur 4.
Les essais suivants illustrent l'étape d'électrosynthèse à partir d'acides
gras
volatils comme précurseurs, étant entendu qu'il est nécessaire d'utiliser ces
acides gras
volatils sous forme de carboxylate lors de ces réactions chimiques.
Exemple A:
Une solution d'acétate de sodium à 1M a été soumise à une réaction
d'électrolyse mettant
en oeuvre des électrodes en graphite avec une densité de courant de 100
mA/cm2.
Au bout de 180 minutes de réaction, 63% de la concentration initiale en
acétate a été
consommée. Les métabolites obtenus en phase gazeuse sont de l'hydrogène (350
ml soit
mmol), du dioxyde de carbone (330 ml soit 13,8 mmolC), du méthane (7 ml soit
0,3
mmolC) et de l'éthane (30 ml soit 2,51 mmolC). Les métabolites obtenus en
phase liquide
15 sont de l'acétate de méthyle (66 mg soit 0,9 mmol) et du méthanol (87 mg
soit 2,7 mmol).
Le bilan Cmol (Cmol.Produit/Cmol.Substrat) de cette réaction est de 0,9 0,1.
Les
rendements en hydrogène, en dioxyde de carbone, en éthane, en méthane, en
acétate de
méthyle et en méthanol sont respectivement de 473 ml/g d'acétate, de 446 ml/g
d'acétate,
de 41 ml/g d'acétate, de 10 ml/g d'acétate, de 90 mg/g d'acétate et de 118
mg/g d'acétate.
Exemple B:
On répète l'exemple A mais avec du propionate de sodium à 1M comme substrat.
Au bout
de 180 minutes, 56% de la concentration initiale en propionate a été
consommée. On
obtient dans la phase gazeuse de l'hydrogène, du méthane, du dioxyde de
carbone, de
l'éthène et du butane et, dans la phase liquide, on obtient de l'éthanol et du
propionate
d'éthyle.
Des réactions d'amidation ont été également menées :
Exemple C : Amidation-acétate
La réaction d'amidation est réalisée dans un montage à reflux à partir d'un
mélange d'une
solution d'acide acétique biosourcée et une solution d'ammoniac dans des
conditions
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stoechiométriques. Le mélange réactionnel est chauffé à 80 C pendant 4 heures,
puis les
excédents de réactifs sont éliminés par distillation. Le produit de la
réaction est recristallisé
afin d'obtenir l'acétamide biosourcée. Le rendement de la réaction d'amidation
dans ces
conditions est de 63%.
Exemple D :Amidation- butyrate
On répète l'exemple C mais avec une solution d'acide butyrique biosourcée et à
une
température de 90 C. Au bout de 5 heures et après recristallisation du
butyramide
biosourcé, le rendement de la réaction d'amidation est de 69%.
Exemple E : Amidation- mélange d'AGV
On répète l'exemple C avec un mélange d'acides gras volatils biosourcés
(acides acétique,
propionique, butyrique, isobutyrique, isovalérique, valérique, isocaproïque,
caproïque,
heptanoïque, octanoïque...) issus de la phase d'extraction comme décrit dans
les
exemples précédents à une température de 85 C. Au tout de 6h, après
élimination des
excédents de réactifs par distillation et après recristallisation des amides
biosourcées, le
rendement de la réaction d'amidation est de 74%. Les amides biosourcés
obtenues sont
les amides correspondants aux acides carboxyliques biosourcés présents dans le
mélange
(acétamide, propanam ide, isobutyramide, butyram ide, isovaléram ide, valéram
ide,
isohexanamide, hexanamide, heptanamide et octanamide...).
Ces réactions d'amidation qui permettent de produire à partir d'acides gras
volatils
biosourcés des amides biosourcées peuvent être réalisées également avec des
amines
substituées afin d'obtenir des amides secondaires et tertiaires.
Des réactions d'estérification ont été également menées.
Exemple F : Estérification d'un mélange d'AGV
Pour réaliser cette estérification, un mélange équimolaire d'acides gras
volatils biosourcés
obtenus après fermentation et extraction (acides acétique, propionique,
butyrique,
isobutyrique, isovalérique, valérique, isocaproïque, caproïque, heptanoïque,
octanoïque,
phenyl acétique, phenyl propionique) (2 mL) et d'éthanol (1,51 mL) est mis à
reflux
pendant 1h15. De l'acide sulfurique (54e) est ajouté initialement au milieu
réactionnel en
tant que catalyseur. En fin de réaction, on retrouve par chromatographie en
phase
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gazeuse les esters éthyliques correspondant aux acides présents dans le
mélange initial
c'est-à-dire dans l'exemple: l'acétate d'éthyle, du propionate d'éthyle, de
l'isobutyrate
d'éthyle, du butyrate d'éthyle, de l'isopentanoate d'éthyle, du pentanoate
d'éthyle, de
l'isohexanoate d'éthyle, de l'hexanoate d'éthyle, de l'heptanoate d'éthyle, de
l'octanoate
d'éthyle, du phenylacetate d'éthyle et du phenylpropionate d'éthyle. Un
rendement de
conversion de 69% des acides carboxyliques en esters est obtenu.
Il est ainsi montré que les métabolites fermentaires tels que les AGV, à
savoir
selon les exemples A à F et de manière non limitative, les acides acétique,
propionique,
butyrique, isobutyrique, isovalérique, valérique, isocaproïque, caproïque,
heptanoïque,
octanoïque, phenyl acétique, phenyl propionique sont aisément utilisables
comme
précurseurs de molécules finales d'intérêt économique et énergétique, étant
entendu que
ces métabolites sont produits par une fermentation.
On a ainsi un procédé global dont les différentes étapes peuvent être
effectuées
en décalé. Par ce terme, on désigne des étapes qui peuvent être répétées à
différents
moments et/ou en différents lieux. En d'autres termes, le procédé présente une
grande
adaptabilité et une grande souplesse de production.
La mise en oeuvre d'un tel procédé implique non seulement la présence dans
l'installation d'au moins un réacteur de fermentation mais également au moins
un organe
d'extraction, adapté pour mettre en oeuvre l'étape 9 d'extraction et au moins
un organe de
synthèse, adapté pour mettre en oeuvre l'étape d'électrosynthèse 13 ou, en
variante, une
autre étape chimique. Ces organes sont connus en soi, leurs nombres et leurs
dimensions
étant adaptés au type de production.
Une telle installation comprend, avantageusement des organes de stockage du
substrat 1 et/ou des produits issus des étapes d'extraction et/ou
d'électrosynthèse et
d'autres synthèses chimiques. Des moyens de gestion et de commande, tels que
des
capteurs de température, des sondes de pH, sont prévues.
