FR3024159A1 - Procede de production de molecules a partir de biomasse fermentescible - Google Patents

Abstract

Le procédé de production de molécules organiques à partir de biomasse fermentescible, comprend une étape de fermentation (5) anaérobie produisant des acides gras volatils (6), ces précurseurs étant transformés en molécules organiques finales par voie non fermentaire. Il comprend également au moins les étapes suivantes : -a) extraire (9) au moins une partie des acides gras volatils du milieu de fermentation de sorte que la production de métabolites fermentaires par les microorganismes (M) n'est pas affectée, - b) synthétiser (13) des molécules organiques à partir des métabolites fermentaires 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. L'invention concerne également une installation de mise en oeuvre du procédé.

Description

PROCEDE tODUCTION DE MOLECULES A F.AIITIR 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 L;e iermentation anaérobie. Par biomasse fermentescible, on désigne ici un substrat organique, av..7regeusement mais non e',-...lu'7,ivement, non alimentaire, obtenu à partir de déchets, sous-produits et coproduits formàs 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 -'if, on peut citer comme substrE# organique les fumiers, la fraction organique des 15 ordures ménagères, les coprodur 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 20 (3. 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 25 ayant un ir ",vêt énergétique et/ou chimique, p--:r essample, 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 3024159 2 production à partir de matières premières renouvelables, comme la biomasse, est donc une solution intéressante du point de vue économique et écologique. On connaît ainsi des procédés de production d'un type donné de molécules à partir d-?. substrat organique. On peut citer par exemple la pro.ixtion d'éthanol, qui est un cor-p-isant important des 5 bioca bur_.nts de première génération pour les véhicules, à partir ü_ )masse, essentie;:oment alimentaire telle que le maïs, le blé, la better,iie 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, 10 des molécules ayant un intérêt conduit à la production d'une quantité importante de déchets, ce qui génère des problèmes environnementaux. 'Heurs, 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 fermentati_n puis le traitement des sels d'AGV. En d'autres termes, le procécL n'est pas continu. Il est connu que la production d'acides gras volatils effectuée par 'rmentation anaérobie induit une _Ici :,:fication du milieu préjudiciable aux microorganismes. L'acidification du milieu induisant une inh' Ion 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. Le procédé ne permet donc pas une 3024159 3 production rapide et en continue de molécules dites précurseurs, le rendement n'étant pas optimal. Or, dans h cadre d'un procédé industriel ction de molécules par fermentation à paîjr de biomasse, il est irr.pcnt, pour garantir la productivité de 5 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, maîtrisés 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, 10 domestique et/ou agro-alineetp,'re de garantir des volumes irr p:Drbnts. De ce fait, on observe une granic variabilité, qualitative et quantitative, du substrat, c 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 15 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, 20 tels des acides gras \, ces métabolites dits précurseurs étant transformés en molécules organiques finales par voie non fermentaire, le procédé comprenant au moins une étape consistant conduire la fermentation d'un substrat organique formé par de la biomasse fern.znt'L.He dans un réacteur de fermentation jusqu'à la production comme métabolites fermentaires d'acides gras volatils (AGV) ayant une chaîne carbonée de 1 à 25 8 car:Dons, ci.-47,-:,térisé en ce qu'il comprend au moins les étapes suivi:,n:,?.s : - a) extraire, entre le début de production et le maximum de production desdits aciries gras volatils, au moins une partie des acides gras volatils du milieu de `:,rr:cntLion de sorte que la production de métabolites fermentaires par les microorganismes n'est pas affectée, 3024159 4 - 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, 5 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'evfract'on permet non seulement d'éviter l'accumulation d'acides gras volatils dans le milieu r i-- également de 10 préserver les microorganismes, l'extraction étant ef .3ctuée dans des conditions non létales pour la totalité des microorganismes. En d'autres termes, l'extrF-lion 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 exemplc de 15 l'acidification du milieu de fermentation par accumulation des acides gras \ 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.

20 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. - Lors de l'étape a) d'extraction au moins une partie de la phase liquide issue de 25 L.xtraztion est introduite dans le réac",-sur de fermentation. - La phase liquide contient des microorganismes. - Les étapes a) à c) sont réalisées en continu. - Les résidus issus du procédé sont adaptés 'pur être utilisés comme amendement, fertilisants ou comme coproduits tel que le méthane.

3024159 5 L'invention concerne également une installation de mise en oeuvre d'un 7rocÉ conforme à l'une des caractéristiques précédentes, caractérisée en ce qu'elle cor prend au moins : - un réacteur de fermentation, 5 - un organe d'extraction propre à assurer l'extraction de ajdes 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 fermen 'ires obtenus lors de la fermentation en molécules organiques finales.

10 Selon des aspects avantageux mais non obligatoires une telle installation peut comprendre les c2,ractéristiques suivantes : - Elle comprend au moins un organe de stockage du substrat. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description de plusieurs modes de réalisation de 15 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 iéchtes en référence à plusieurs modes de réalisation, étant entendu que les étapes c-innues en soi ne sont pas 20 détaillées. En il sera fait référence par la suite au diagramme de la figure 1 comme illustrent 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 25 qu'il n'a subi aucun prétraitement physico-chimique ou enzym&Ii4e. En variante, le substrat 1 peut avoir subi un traitement mécanique, par exemple un broyage 2, l'action des microorganismes sur le substrat. Celui-ci est majoritairement constitué par 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, 3024159 6 tonte) les déchets papetiers (carton, papier), les déchets agroalimcntaires, les déchets d'abattoirs, la fraction organique des ordures ménagères, les E...luznts J'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 5 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, 10 couramment désigné par l'acronyme en langue anglaise BMP (Biochemical Methane Potentill). Une déshydratation contrôlée, telle que décrite dans la demande de brevet FR13021 19 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 15 acides organiques, qui n'influeront pas, ou de façon marginale, sur le procéc di- 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 20 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 Na0H, KOH, Ca(OH)2, K2HR03, KH2R03, de glycérol ou de solutions de vitamines ou d'oligoéléments. Cet ajout est représenté par la flèche A.

25 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 production. En d'autres termes, le réacteur de fermentation 4 ou bioréacteur a un volume variant de que Lies litres à plusieurs centaines de mètres cubes, selon les besoins.

3024159 7 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 SU striL Ces microorganismes 5 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 previennent essentiellement d'écosystèmes naturels propres à réaliser une fermentatic dans des conditions anaérobies. A titre d'exemple non limitatif, 10 on peut citer comme écosystèmes la zone 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 cor' lent 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 15 importantes. Il s'avère que cette diversité qualitative et quantitative des microorganismes apporte, de façon surprenante, une robustesse et une adap:abilità au procédé de fermentation permettant d'assurer une utilisation optimale des substr,S, 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 20 stérili, plus généralement, qu'il n'est ,-,as débarrassé des microorganismes qu'il contient préalablement à son introducticl 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 25 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 Consortia Without Methane Production. Applied Biochemistry and Biotechnology, 6 janvier 2012) ont montré que cette fluctuation est due à des vagues successives de 3024159 8 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 vol,..-as présente, selon le 5 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 10 pH e:t inférieur à 8, préférentiellement compris entre 4 et 7. Ainsi, la fermentation 5 est, avantLgeusement, limitée à la production de méL:...plites 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, 15 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, C3 c:::grader non seulement les sucres (pentoses, hexoses ou autres) présents dans le substrat 1 mais également la majeure 20 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 25 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 5 produit, parmi les différents composés générés, des précurseurs pour une synthèse de bio-carburants et de biomolécules d'intérêt pour la chimie.

3024159 9 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 quatre c7/Dones tels que l'acide acétique, l'acide propionique et l'acide butyrique. On obtient des acides gre volatils à plus longue chaîne, donc supérieure à quatre 5 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 chaîne carbonée, donc supérieure à quatre carbones. En d'autres termes, les métabolites produits en quantité lors de la 10 fermentation 5 sont des acides gras volatils majoritairement deu, 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 (C8 à C22) qui seront fermentés ou transformés, lors des étapes ultérieures de transformation chimiques, en hydrocarbures comme l'octane et le kérosène. Ces e carboxyliques 15 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 c- ooxyliques ou ces huiles sont, avantageusement, incorporés au substrat 1.

20 La fermentation 5 être conduite en mode discontinu ou batch, en continu-discontinu ou fed-bech 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 25 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 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 3024159 10 -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, 5 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 10 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, 15 sont récupérés et utilisés de manière connue, selon la référence 8. Le dioxyr. 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 20 alcools. Ces deniers peuvent, soit être réintroduits dans le bioréacteur 4, pour poursuivre la fermentation 5, soit être utilisés pour d'autrcL; a'pplications, tels quels ou après transà)rrr lion. L'étape suivante est l'e raction 9 des acides gras volatils 6 ainsi formés. Ces derniers, par des réactions connues en soi, produiront, lors d'une étape suivante 10, des 25 molécules dites biosourcées, selon les besoins définis. En variante, comme indiqué précédemment, ils forment un substrat pour une fermentation dite sec^nebre pour produire des acides gras volatils à plus longue chaîne carbonée. Cette fermentation peut être menée dans le même réacteur, dans la continuité de la première fermentation, ou, 3024159 11 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 5 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 10 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 15 microorganismes nts, 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 L réinjecter dans le réacteur de fermentation 4. 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 20 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.

25 L'extraction 9 est, avantageusement effectuée en phase 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 entre le début de production et le maximum de production des métabolites. Avantageusement, l'extraction est effectuée au voisinage du seuil d'inhibition des 3024159 12 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 5 été ai 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.

10 De façon concomitante, en variante av.:inti-geuse, une partie des acides gras volatils 6 produits lors de la fermentation 5 n'._.st 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.

15 L'étape d'électrosynthèse 13 )rmet de convertir des acides gras volatils 6 produits en de grandes quantités de composés 14 gazeux et liquides via les réactions, connues, de décarboxylation électroc.1[1que 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 20 paramètres facilement contrôlables comme décrit plus loin. Divers métabolites peuvent être produits en jouant sur ces pi_ ,_._mètres, 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 25 d'extraction de,', gras volatils du milieu de fermentation. 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 four is s'élargit.

3024159 13 Etonnamment, la demanderesse a constaté que l'étape d'électrosynthèse peut être réalisée dans le m,,jeu fermentation, dans des conditions de réaction douces, à température et à pression ambiantes, à 3V ou plus de 3V et à 1 mA/cm2 de densité de courant à l'anode, en utilisant, par exemple, des électrodes de platine ou de carbone, 5 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 1 1, 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 10 réaction de Hofer-Moest fourn'.':sEit des alcènes qui est favorisée. Dans cette étape d'électrosynthèse 13, les AGV, donc des acides carboxyliques, à chaînes carbonées courtes et moyennes doivent être sous forme de carboxylates pour être utilisés. C'est pourquoi un pH faible tendra non seulement à jin,.nuer la concentration en acides gras volatils sous forme d'anions mais également la solubilité 15 des acides carboxyliques ou AGV à chaîne 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.

20 Des solvants organiques sont nécessaires c,JE:_. r ent pour les réactifs peu solubles au 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 chaînes carbonées peuvent être facilement 25 séparés et concentrés afin de subir l'étape d'électrolyse dans un deuxième temps et aboutir à de forts rendements en produits électrolytiques. Dans la mesure où il est possible, en variante non obligatoire, d'utiliser une cellule d'électrolyse divisée, les produits formÉs res7ectivement à l'anode et à la cathode peuvent être facilement séparés.

3024159 14 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 C::3X' Je de carbone, les alcanes, les alcènes peuvent être, à 5 titre d'exemple non limitatif, comprimés et séparés par liquéfaction gazeuse, comme indiqué précédemment sous la référence 8. Dans un autre rr :e 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 10 afin d'év''f_e le? 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 ra:-.;, t, entre autres, aux gaz naturels issus de l'industrie pétrolière.

15 En variante, afin d'augmenter les rendements de la synthèse par électr 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 20 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 25 é4:-.:]e de méthanisation 17 est, selon une approche d'écologie industrielle, également appliquée à une fraction 20 de résidus ou de substrats non ._ .rientés. Ainsi, on produit 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.

3024159 15 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 proc dé objet de 5 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 10 mL/L hémine et 5 mL/L 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 15 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 20 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.

25 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 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 3024159 16 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 5 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.

10 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 15 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/ml 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 20 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 mode de réalisation, l'extraction peut être réalisée, sans contraintes 25 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 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 3024159 17 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 5 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 10 consommée. Les métabolites obtenus en phase gazeuse sont de l'hydrogène (350 ml soit 15 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 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 15 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 20 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 : 25 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 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 3024159 18 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 5 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, 10 heptanoïque, octanoïque...) issus de la phase d'extraction comme décrit dans les exemples précédents à une température de 85°C. Au but 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 15 (acétamide, propanamide, isobutyramide, butyramide, isovaléramide, valéramide, 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.

20 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, 25 phenyl acétique, phenyl propionique) (2 mL) et d'éthanol (1,51 mL) est mis à reflux pendant 1h15. De l'acide sulfurique (54pL) est ajouté initialement au milieu réactionnel en tant que catalyseur. En fin de réaction, on retrouve par chromatographie en phase 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 3024159 19 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.

5 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 10 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.

15 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 20 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.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Procédé production de molécules organiques à partir de biomasse fermenteLle, comprenant une étape de fermentation (5) anaérobie, ladite fermentation produisant des métabolites fermentaires dits précurseurs, tels des acides gras volatils (6), ces métabolites dits précurseurs -tant transformés en molécules organiques finales par voie non fermentaire, le prodé comprenant au moins une étape consistant à conduire la fermentation d'un substrat organique (1) formé par de la bit-na se (3) fermentescible clins un réacteur de fermentation (4) jusqu'à la production comme métabolites fe -nentaires 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 : - a) extraire (9), entre le début de production et le maximum de production desdits acides gras volatils (6), au moins une pie s acides gras volatils du milieu de fermentation de sorte que la production de métabolites fermentaires par les microorganismes (M) n'est pas affectée, - b) synthétiser (13) des molécules organiques à partir des métabolites fermentaires produits dans le réacteur de fermentation (4) 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.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, avant l'étape a), on inocule dans le réacteur de fermentation (4) un mélange (M) microorganismes provenant d'écosystèmes naturels définis.
3. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lors de l'étape a) d'extrE:Aion au moins une partie de la phase liquide (11) issue de l'extraction (9) est introduite crans le réacteur de fermentation (4).
4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la phase liquide (11) contient des micn, rganismes (M).
5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les étapes a) à c) sont réalisées en continu.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les résidus (16, 20) issus du procédé adaptés pour être utilisés comme amendement, fertilisants (18) ou comme coproduit (19) tel que le méthane.
7. 7. 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 . fermentation (4), - un organe d'extraction propre à assurer l'extraction (9) des ides 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 matabolites fermentaires obtenus lors de la fermentation en molécules organiques [laies.
8. 8.- Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un organe de stockage du substrat (1).