Dark fermentation (ou fermentation anaérobie)

anaérobie)

La fermentation anaérobie permet d’envisager la consommation d’une très large variété de substrats dans des conditions parfois très différentes d’une étude à l’autre. En effet, comme introduit dans la 1ère _{section, les gammes de} pH et de température, les microorganismes et la manière de les sélectionner, mais aussi les géométries et la configuration de bioréacteurs permettent d’atteindre un très grand éventail de performances. Cependant, d’une

manière générale, les auteurs concilient difficilement une amélioration simultanée des rendements et les productivités des bioréacteurs. Dans la synthèse présentée ici, les performances seront classées selon le type d’alimentation (batch ou semi- continue), les microorganismes (cultures pures ou mixtes) et les substrats (sources de carbone artificielles et sucres simples ou provenant d’effluents industriels). Il faut également noter que les productivités étant influencées par la concentration des substrats (en culture batch) ou le taux d’alimentation organique (OLR) peuvent donc varier énormément d’une culture à l’autre. Néanmoins, l’analyse des performances atteintes dans la littérature scientifique permet de dessiner les grandes tendances de la production d’hydrogne par fermentation anaérobie et de les comparer aux résultats présentés au cours de ce travail.

Tableau VIII - 4 : Performances de production d’hydrogène en culture batch présentées dans la littérature scientifique, adaptés d’après les revues de Davila-Vazquez et al. (2008) ; Lee et al. (2011) ; (Li et Fang, 2007a) et Show et al. (2012).

Organismes Substrat Rendement (molH2molhexose)

Productivité (mLH2·L-1·h-1) Anaérobie facultative (Enterobacter sp., Citrobacter sp., etc.) Glucose, saccharose, maltose, amidon hydrolysé,

1.2 – 2.7 90 – 660 Anaérobies strictes (Clostridium sp., etc.) Glucose, saccharose, xylose, amidon, 1.1 – 2.3 60 - 660 Thermophiles (Thermotoga sp., Caldicellulosiruptor sp., etc.) Glucose, saccharose, amidon 2 – 3.84 120 - 350 Boues anaérobiques adaptées (choc de température ou pH, etc.) Glucose, saccharose, molasses, déchets de papeterie, eaux usées, etc.

0.8 – 1.7 192 - 480

Les cultures batch présentées dans le Tableau 4 illustrent les meilleurs résultats obtenus par les auteurs dans des conditions parfois bien particulières : contrôle du pH, retrait du biogaz en permanence, agitation du milieu. Par ailleurs, les hautes productivités sont le reflet de concentrations en substrats plus élevées que celles utilisées dans ce travail (de l’ordre de minimum 20 g·L- 1 _{de glucose contre les 5 g·L}-1 _{utilisés dans le milieu MDT). En détaillant les} articles présentant ces résultats, de bonnes productivités dans les fermentations batch ne sont pas associées à de hauts rendements et vice

versa. Comme cela a déjà été abordé dans l’introduction, les cultures batch sont principalement utilisées pour effectuer des séries de tests d’influences de paramètres de cultures de manière rapide et efficace. Elles ne sont en aucun cas destinées à être portées à grande échelle en raison de leur caractère trop peu pratique pour leur mise en œuvre. Dès lors, c’est en observant les cultures (semi-) continues que sont approchées les conditions réelles de production d’hydrogène transposables à de plus grands volumes.

Tableau VIII - 5 : Performances de production d’hydrogène en bioréacteurs (semi-)continus en cultures mixtes mésophiles présentées dans la littérature scientifique, adaptés d’après les revues de Davila-Vazquez et al. (2008) ; Hawkes et al. (2007); Jung et al. (2011) et Li et Fang (2007a).

Bioréacteur Substrat Rendements (molH2molhexose)

Productivité (mLH2·L-1·h-1)

AnSBR * Glucose, saccharose,

amidon, eaux usées

1.05 – 1.75 20 - 400

CSTR* (HRT : 6 – 20 h) Glucose, saccharose, xylose, amidon, eaux usées

0.32 – 2.24 50 - 3200

AnMBR* (HRT : 1 – 10 h) Glucose, fructose, saccharose

1.27 – 1.71 370 - 2750

UASB* (HRT : 0.25 – 60 h) Glucose, saccharose, amidon, déchets agro- industriels

0.75 – 2.47 100 - 7300

AFBR* (HRT : 0.125 – 9 h) Glucose, saccharose 1.5 – 2.79 125 - 7600 * AnSBR : Anaerobic Sequenced-Batch Reactor ; CSTR : Continuous Stirrd Tarnk Reactor ; AnMBR : Anaerobic Membrean BioReactor ; UASB : Upflow Anaerobic Sludge Bioreactor ; AFBR : Anaerobic Fixed-Bed Reactor ; HRT : Hydraulix Retention Time.

Les cultures continues sont, sauf exception, étudiées avec des cultures mixtes provenant de boues anaérobies (soit depuis des installations de méthanisations ou des boues issues de sols) dont la population a été adaptée par traitement (chimique ou température) ou par sélection (en appliquant des temps de rétentions hydrauliques, ou HRT, très faibles). Le maintien d’une culture pure dans ce type de bioréacteur se heurte rapidement à des limitations pratiques qui sont dues aux conditions d’étanchéité et aux précautions d’utilisations trop importantes qu’il faut utiliser dans ce but.

Les bioréacteurs les mieux connus et maîtrisés, car déjà largement utilisés dans les procédés de digestion anaérobie notamment, tels que les UASB ou les CSTR, sont étudiés avec des substrats qui sont assimilés à des déchets

industriels (résidus de la fabrication de l’huile de palme, élevage de volailles, porcs ou bovins, eaux usées de brasserie, etc.). Pour les autres, des substrats synthétiques sont alimentés, parfois pour mimer le contenu des substrats industriels sur lesquels porte l’étude.

Les premiers paramètres d’étude mis en avant par les auteurs sont, outre la configuration géométrique du bioréacteur, le HRT, définissant ainsi la capacité optimale de traitement du système. Un temps de rétention optimal est défini, permettant le maintien de la biomasse dans le bioréacteur et la maximisation simultanée des rendements et des productivités. Cela fait d’ailleurs souvent l’objet d’un compromis, dans la mesure où les bioréacteurs atteignant de très hautes productivités doivent souvent se satisfaire d’un rendement moyen à relativement faible. Par ailleurs, le maintien de la biomasse dans le bioréacteur est rendu plus aisé pour de faibles HRT lorsque celle-ci est fixée et que, de ce fait, le temps de rétention liquide est découplé du temps de rétention solide.

Pour les CSTR, les temps de rétentions hydrauliques généralement atteints sont assez élevés (de l’ordre de 10 à 20 h) mais sont, néanmoins, plus faibles que les digesteurs anaérobies, en raison du taux de croissance des bactéries productrices d’hydrogène plus élevé. La formation de flocs ou agglomérats (tels que cela se produit naturellement dans les procédés de digestion anaérobie) permet, dans ces systèmes, de descendre jusqu’à des HRT de 6 à 8 h, tout en maintenant suffisamment de microorganismes dans le bioréacteur. Les réacteurs établissant un découplage des solides et des liquides dans les bioréacteurs permettent de diminuer spectaculairement les HRT minimums (jusqu’à 0.125 h) au profit de meilleures productivités mais aux dépens de bons rendements (diminuant aux alentours de 1.2 molH2·molhexose-1). Ceux-ci étant généralement maximisés pour des temps de rétentions intermédiaires de 5 à 10 h.

Enfin, les réacteurs à membranes se sont montrés, dans le passé, attractifs en raison des rendements très satisfaisants et des hautes productivités, mais se sont révélés peut adaptables à plus large échelle.