Pour atteindre les objectifs en matière de protection du climat, il est nécessaire d’augmenter la part de l’utilisation des énergies renouvelables. Pour atteindre cet objectif ambitieux, il est nécessaire de combiner l’utilisation d’énergies conventionnelles et renouvelables ou encore mieux de les associer intelligemment dans des procédés durables.

Le projet EBIPREP est mené par un groupement interdisciplinaire de chercheurs qui regroupe des compétences en chimie, génie de procédés, bioprocédés ainsi que dans la mise en œuvre de capteurs physiques et de contrôle des procédés. L’objectif est de trouver de nouvelles voies de valorisation pour des copeaux de bois et pour le jus de bois issu du pressage mécanique du bois. Outre la gazéification des copeaux de bois avec une purification catalytique du gaz de synthèse produit, l'utilisation du jus de bois, dans les installations de production de biogaz et pour la fabrication de produits à valeur ajoutée importante comme des levures biologiques ou des enzymes est étudiée.

Pour une illustration claire du caractère innovant du procédé global, les procédés individuels sont présentés ci-après (Figure 1). Les éléments centraux du projet sont les copeaux de bois sec générés par le procédé de séchage mécanique et le jus de bois. A partir du procédé de séchage mécanique 200 à 250 litres de jus de bois, contenant de fortes concentrations en éléments minéraux et nutriments, sont produits par tonne de copeaux de bois pressés. Jusqu’à présent ce jus de bois est dirigé vers une installation de traitement des eaux usées. L’un des objectifs de ce projet est la valorisation de ce jus de bois en tant que substrat de culture dans les réacteurs de fermentation pour produire des composés à forte valeur ajoutée, telles que les levures ou les enzymes industrielles.

Processus de fermentation biologique

Du fait de leur structure complexe, la production de composés organiques à forte valeur ajoutée passe nécessairement par des voies biotechnologiques. Ceci est particulièrement vrai dans le cas d’enzymes ou de levures. Pour obtenir des résultats reproductibles dans des procédés biotechnologiques de fermentation, des médias à base de sel minéraux sont utilisés (à l’échelle du laboratoire et à l’échelle pilote). Cependant, à l’échelle industrielle, ce type de substrat ne peut être utilisé du fait de son coût trop important. Des médias complexes constitués de divers produits naturels (extrait de malt, extrait de levure, de la peptone ou de la mélasse) sont alors utilisés. Ces médias contiennent des quantités suffisantes de nutriments essentiels à la croissance des micro-organismes, mais leur utilisation, à l'échelle industrielle, a pour conséquence une augmentation du coût de leur production. Pour ces raisons, l’utilisation du jus de bois, disponible en grande quantité, comme additif aux milieux de culture des composés organiques à forte valeur ajoutée peut s’avérer être une alternative intéressante en apportant une amélioration technologique et économique au procédé de biofermentation.

Procédé de production de biogaz

D'autre part, le jus de bois peut être transformé en biogaz en utilisant des déchets de l'industrie agro-alimentaire. L'utilisation de résidus alimentaires contenant du sucre dans une unité de production de biogaz peut mener à différents problèmes. D'une part, même avec un débit d'entrée faible, des substances contenant une concentration en sucre élevée peut mener à une rapide acidification du contenu du réacteur, entrainant une détérioration irréversible du procédé de production de biogaz. Il est connu que l'incorporation de co-substrats biologiques, moins facilement biodégradables, retarde cette possible acidification rapide du milieu et stabilise ainsi le procédé de production de biogaz. Ceci sera vérifié dans le cas du jus de bois comme co-substrat.

D'autre part, les eaux usées manquent souvent de nutriments permettant de méthaniser complètement le carbone. L'addition de jus de bois, riche en minéraux, peut aussi augmenter le rendement du procédé de production de biogaz.

Afin d'atteindre une dégradation complète des résidus alimentaires, des temps de séjour très longs (classiquement de 45 à 70 jours) du substrat dans le fermenteur sont requis. Ceci engendre des unités de tailles (et donc de coûts) très importantes. Nos propres tests en réacteur fermé ont mis en évidence que, dans la plupart des cas, environ 80% du biogaz produit l'est au cours des 3-4 premiers jours. Le reste du carbone est converti au bout d'un temps beaucoup plus long (typiquement plus de 30 jours). Basé sur ces résultats, il sera intéressant de vérifier au cours de ce projet s'il est économiquement et techniquement possible et bénéfique d'interrompre le procédé de production de biogaz prématurément. Les substances non converties, difficiles à dégrader, peuvent être dirigées vers le gazéifieur de bois afin d'optimiser économiquement leur transformation. Ceci permet de diminuer la taille et donc le coût des fermenteurs tout en conservant le même débit d'entrée.

Procédé de gazéification

Au cours de la gazéification, l'ajout d'un agent de gazéification (généralement l'air) permet la transformation d'un combustible solide inhomogène en un gaz de synthèse avec un pouvoir calorifique important grâce à la présence de méthane, de monoxyde de carbone et d'hydrogène, avec également la présence de dioxyde de carbone et d'azote. Afin d'éviter au maximum toute source de dysfonctionnement du gazéifieur, le combustible solide doit répondre aux spécifications suivantes :

- la porosité du lit de combustible doit être en phase avec la taille des particules de combustible. Des tailles appropriées se situent généralement entre 20 et 80 mm.

- le charbon produit au cours du procédé doit être mécaniquement stable afin de préserver la porosité du lit et permettre la circulation du gaz.

- l'humidité du combustible doit être faible afin de permettre d'atteindre une température suffisante durant le procédé de gazéification (au moins 1200°C).

Le gazéifieur envisagé dans ce projet fonctionne en co-courant, ce qui permet d'atteindre des débits de gaz et de biomasse traités importants et donc une production énergétique élevée même avec des installations de taille moyenne. Dans le réacteur utilisé à l'Université des Sciences Appliquées d'Offenbourg, une production énergétique d'environ 60 kW peut être atteinte avec un réacteur d'environ 200 litres.

Le gazéifieur de bois joue un rôle clé dans le procédé global envisagé. Tous les résidus qui n'ont plus d'intérêt biologique (résidus de fermentation) ou qui ne sont plus économiquement viables (résidus du procédé de production de biogaz) peuvent ainsi être gazéifiés simultanément avec les copeaux de bois. Cette utilisation intelligente de la biomasse mène à des rendements énergétiques plus importants.

L'importance duz contrôle de procédé dans le cadre du projet

Le procédé global de conversion de biomasse en produits à valeur ajoutée et en biogaz ne peut être possible qu'en combinant de manière optimisée des procédés partiels tout en mesurant en temps réel les paramètres clés du procédé global. Dans le cas de la production de biogaz par fermentation, il est important d'avoir accès en temps réel à la quantité et à la nature des acides présents (acides acétique, butanoïque, propionique...) afin de pouvoir modéliser l'état microbien du procédé de fermentation. Ces informations peuvent être utilisées pour ajuster l'alimentation du réacteur de biogaz et ainsi permettre d'optimiser le procédé de fermentation.

Dans cette optique, et pour la première fois,  il est envisagé de développer une membrane permettant un échantillonnage par le biais d'un gaz vecteur. Cette membrane équipée d'un capteur sous forme de puce composée d'oxydes métalliques fonctionnant de manière thermocyclique. Ce capteur [11, 12] doit permettre l'analyse in situ de différents acides organiques. Afin d'optimiser les couches d'oxydes métalliques du capteur, différents oxydes, très sensibles aux acides, doivent être préparés afin de concevoir différents types de puces par le biais de technologies existant à l'Institut des Capteurs et des Systèmes d'Informations de l'Université des Sciences Appliquées de Karlsruhe.

Dans le cas de la gazéification du bois, le changement de composition de la biomasse en entrée est connu pour être une source de variations importantes de la qualité du gaz produit. De telles variations incontrôlées peuvent mener à une augmentation rapide de la teneur en goudrons du gaz produit. Si une mesure en temps réel de la teneur en goudrons est possible, elle pourrait être utilisée pour le contrôle du procédé de gazéification. Il apparait ainsi que le développement d'un tel capteur, en présence de concentrations élevées de monoxyde de carbone et de méthane, est de première importance et sera à l'étude au cours de ce projet.

Traitement catalytique du gaz de synthèse

Le traitement catalytique du gaz de synthèse brut est nécessaire pour limiter l'impact sur l'environnement de l'utilisation de la biomasse. La condensation de goudrons produits lors de la gazéification peut engendrer des problèmes importants tels que l'obturation de conduites ou de capteurs sur l'unité mais également perturber le fonctionnement de l'unité de cogénération de chaleur et d'électricité en aval. Plusieurs types de catalyseurs ont montré un potentiel pour l'élimination des goudrons mais aucune formulation n'est actuellement disponible qui permet de répondre au  besoin suivant : une efficacité importante d'élimination des goudrons couplée à une activité de reformage du méthane significative, une résistance à la désactivation (liée au dépôt de coke et au frittage), une régénération possible de la phase active, une bonne résistance mécanique couplée à une bonne conductivité thermique et bien sur un prix relativement faible. Ainsi, le développement de matériaux catalytiques permettant de répondre à ces besoins spécifiques sera également l'un des buts de ce projet.

Analyse de l'impact environnemental

Afin de permettre une activité durable et efficace du catalyseur d'élimination des goudrons développé dans le cadre de ce projet, l'analyse du gaz de synthèse brut (y compris la mesure des particules) est nécessaire afin de limiter l'empoisonnement du catalyseur. La production d'électricité implique également des puretés de gaz synthèse spécifiques atteignables uniquement par l'utilisation d'un système catalytique et de capteurs adaptés.