Production de molécules plateformes pour la valorisation des déchets organiques solides : étude de processus physiques et biologiques impactant la qualité du mélange d'acides organiques

Production of platform molecules for solid wastes valorisation : understanding physical and biological processes impacting the quality of the organic acids mixture

• Auteur / Autrice : Laura Digan
• Direction : Etienne Paul, Claire Dumas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie des procedes et de l'environnement
• Date : Soutenance le 08/10/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'ingénierie de Systèmes Biologiques et des Procédés - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés / LISBP
• Jury : Président / Présidente : Hélène Roux-de Balmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Fontanille, Eric Trably
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Delgenes, Hassen Benbelkacem

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déchets organiques

Acides organiques

Mots clés libres

Fermentation acidogène anaérobie

Ordures ménagères résiduelles

Plateforme AGV

Réacteur à lit percolant

Modèle à double à porosité

Anaerobic acidogenic fermentation

Household solid waste

VFA platform

Leach-bed reactor

Dual porosity model

Résumé

La consommation de ressources pétrolières, épuisables et non renouvelables, conduit à rechercher de nouvelles voies de production pour l’industrie chimique. De plus, la production d’Ordures Ménagères Résiduelles (OMR) continue d’augmenter à l’échelle mondiale. La fermentation acidogène des OMR permet de répondre au double objectif de traiter ces déchets et réduire leur quantité tout en produisant des molécules plateformes biosourcées (acides organiques) d’intérêt pour la chimie.La teneur en solides élevée des OMR et le souci de limiter les coûts de procédé justifient le choix du réacteur à lit percolant ou LBR: il s’agit d’un procédé de fermentation discontinue en voie solide dans lequel une phase liquide est recirculée au sein d’un lit statique de déchets solides. De plus, la mise en œuvre de la fermentation en culture mixte vise à apporter de la diversité microbienne, donc de la robustesse face aux variations de conditions environnementales, et permet de s’affranchir de la nécessité de stériliser le milieu. Par souci de reproductibilité, le principal substrat d’étude a été une reconstitution d’OMR.La première partie de ce travail concerne la compréhension des processus biologiques et chimiques et de leur interaction, au cours de la fermentation acidogène en réacteur batchs séquentiels. L’impact de différents facteurs sur l’hydrolyse et la production de métabolites ont été étudiés: l’ajout d’un inoculum exogène au départ, l’acclimatation de la population microbienne initialement présente vis-à-vis des conditions environnementales, le pH. Il a ainsi été confirmé que le pH joue un rôle clé dans la solubilisation du substrat, la production de métabolites et le spectre de produits. L’analyse de l’évolution des communautés microbiennes a permis de corréler la sélection de certaines familles de bactéries aux performances observées. La fermentation a pu être effectuée avec l’utilisation unique du consortium microbien indigène et l’ajout d’un inoculum extérieur n’a pas contribué à améliorer les performances atteintes. En revanche, la réutilisation de communautés microbiennes, acclimatées aux conditions opératoires par les batchs séquentiels, a été déterminante pour augmenter les productions de métabolites. Ces conclusions ont été comparées à des résultats obtenus à forte teneur en solides.La teneur en solides a une influence considérable sur la réaction de fermentation. Toutefois, sa seule considération n’est pas suffisante car le lit de déchets solides constitue un milieu poreux multiphasique complexe au sein duquel la répartition de l’eau et les phénomènes de transfert sont aussi essentiels. La seconde partie de ce travail visait donc à caractériser le lit de déchets en LBR sur le plan physique et hydrodynamique, en conditions abiotiques. Pour cela, des OMR reconstituées, mais aussi réelles, ont été utilisées. En réalisant des cycles de percolation et drainage avant et après compaction des lits de déchets, la structure des massifs et la distribution de l’eau dans les compartiments ont été déterminées. L’application d’un modèle à double porosité classique pour représenter ces cycles a mis en évidence l’existence d’une fraction d’eau immobile dans la macroporosité. Aussi, un modèle amélioré a été proposé pour reproduire de manière plus adéquate ces dynamiques d’écoulement d’eau dans le massif. Des coefficients de transfert d’eau entre les compartiments ont alors pu être estimés via ce nouveau modèle.Les travaux pluridisciplinaires menés au sein de cette thèse se sont intéressés à deux aspects complémentaires de la fermentation acidogène en LBR et apportent aussi de nouvelles perspectives. Par exemple, la stratégie de recirculation, le contrôle de pH au sein de ce milieu complexe, mais aussi la validation sur des déchets réels sont autant de sujets à explorer afin de pouvoir mettre en œuvre la production optimale et reproductible des molécules plateformes par le procédé étudié, en accord avec les utilisations postérieures visées.

The consumption of exhaustible and non-renewable petroleum resources leads to the search for new production routes for the chemical industry. In addition, the global production of Household Solid Waste (HSW) is expected to keep growing. Among a variety of recovery methods, acidogenic fermentation of HSW makes it possible to meet two objectives: treating this waste and reducing its quantity while producing biobased platform molecules of interest for chemical industry such as organic acids.The leach-bed reactor or LBR was chosen due to the high total solids content of HSW and the process cost efficiency. The technology consists of a discontinuous solid-state fermentation process in which a liquid phase is recirculated within a static solid waste bed. Moreover, the use of a mixed culture in fermentation aims to provide microbial diversity, and thus the robustness to face changes in environmental conditions. This strategy also eliminates the need to sterilise the environment. Finally, in this work, the main substrate studied was a reconstitution of HSW.The first part of this work concerns the understanding of the biological and chemical processes and their interaction, during the acidogenic fermentation in sequential batch reactors. The impact of different factors on the hydrolysis of the complex solid substrate and the production of metabolites was studied: the pH, the addition of an exogenous inoculum at start-up and the acclimation of the initial microbial population to the environmental conditions. It was confirmed that pH plays a key role in substrate solubilisation, metabolites production and product spectrum. The analysis of the evolution of microbial communities was assessed, which allowed to correlate the selection of certain families of bacteria with the performances observed. Furthermore, it was feasible to carry out acidogenic fermentation with the unique use of the indigenous microbial consortium and the addition of an external inoculum did not contribute to improve the performances. On the other hand, reusing the microbial communities, acclimated to the operating conditions through the sequential batches, was decisive for increasing the production of metabolites. These conclusions were also compared to results of supplementary experiments obtained at high total solids content.The total solids content has a considerable influence on the fermentation reactions. However, its sole consideration is insufficient because the solid waste bed constitutes a complex multiphase porous medium in which the distribution of water and transfer processes are also essential. Thus, the second part of this work aimed at characterising the physical and hydrodynamic features of the waste bed in a LBR under abiotic conditions. For this, reconstituted HSW as well as real HSW were used. By performing several percolation and drainage cycles, before and after compaction of the waste beds, their physical structure and the distribution of water in their compartments were determined. The application of a classical dual porosity model to represent these cycles helped to demonstrate the existence of a static water fraction in the macroporosity. An improved dual porosity model was proposed to reproduce more adequately the water flow dynamics in the waste bed. Water transfer coefficients between the compartments were then estimated using this new model.The multidisciplinary work carried out in this thesis, focused on two complementary aspects of acidogenic fermentation in a LBR and also brought new perspectives. For instance, the recirculation strategy, the pH control within this complex medium as well as the validation on real waste are all topics to further study in order to implement the optimal and reproducible production of platform molecules by this process, in accordance with the subsequent targeted uses.