Valorisation de matières organiques en produits biosourcés: Cas … · 2018. 1. 10. · des...

VaValoris

Présentée par Hassan Chadjaa,.Directeur Scientifique, CNETE

Titulaire chaire de recherche en bioprocédésIndustriels et fermentaire du CRSNGCRIBIQ/Sherbrooke 19 octobre 2017

Valorisation de matières organiques en produits biosourcés: Cas de réussites au CNETE

Localisation: Shawinigan (QC) Canada

03 Laboratoires d’une surface de800 m2

Équipements de recherche de plus de 10 000 000$ (cd)

Localisation : Trois-Rivières(QC) Canada

Laboratoires d’unesurface égale à 700 m2

Équipements de recherche3 500 000$ (cd)

Domaines d’expertises:

- Bioprocédés industriels et fermentaires- Filtration membranaire (MF, UF, Nanofiltration Osmose inverse)- Microbiologie industrielle et biologie moléculaire- Électrochimie- Catalyse chimique et photochimique- Méthanisation- Caractérisation des gaz - Formulation bioproduits- Nanotechnologie (caractérisation

Valorisation des matières organiques issues agro-ressources et de procédés industriels:

Il existe plusieurs voies pour la valorisation possible des agro-ressources, des déchets organiques et produits déclassés issus de l'agriculture de l’agroalimentaire et des circuits de distribution (marché, centre d’achat) pour ainsi les réintroduire dans le circuit de la chaîne alimentaire ou énergétique sous diverses formes:

- Compost et substrats organiques,- Engrais organiques, - Alimentation animale,- Biogaz (méthanisation)…

L’exploitation de ces ressources végétales, appelées aussi « biomasse », a permis l’émergence d’un secteur prometteur de bioproduits, celui des biomatériaux. Ils regroupent, les bioplastiques qui sont produits à partir des biopolymères (biosourcés).

Valorisation des agroressources:

Quoi valoriser, comment et en quoi??

- Résidus agro-inustriels (résidus agrumicoles, résidus jus de fruits, résidus Industrie de transformation des légumes et fruits …..);

- Résidus de récoltes (fruits et légumes à terre, fin de récolte… etc…)

- Produits déclassés: Fruits et légumes-rejets/couleur, calibre, taille, difformes. Ex: tomates, carottes, patates, oignons, agrumes et autres fruits


- Modèle de recyclage-valorisation en fonction des besoins du marché ou l’intérêt de l’industrie des bioproduits;

- Les produits d’intérêts: Bioproduits (molécules plate-forme/sucres (glucose-fructose-sucrose), acides (lactique, acétique, propionique…), flaveurs-saveurs, colorant naturels, huiles essentielles, antimicrobiens et agents naturels de conservation, huiles essentielles, biosurfactants, additifs naturels,ingrédients (Ex: fibres naturelles, vitamines, polyphénols,…)

- Produits industriels, cosmétiques, antioxydants, produits et ingrédients pour alimentation de bétail et poulet.

Projet 1: Valorisation de biomasse en bioproduits à haute valeur ajoutée: Sirop de pomme «breveté».


Broyage des pomme déclassées

Extraction du jus

Séparation des sucres naturels

concentration des sucres=Sirop

Résidus de pomme

Déshydratation et formulation:

Analyses microbiologiques et

nutritionnelles

Nouveau produit de niche

Valorisation concentrat:•Kéfir de pomme• Boissons santé

Extraction du jus

Clarification du jus par ultrafiltration

Concentration du jus clarifié par osmose

Évaporation du concentré

Extraction du jus

Clarification et décoloration du jus par ultrafiltration

Concentration du jus décoloré désacidifié par osmose inverse

Concentration par évaporation du concentré osmose

Désacidification du jus décoloré par nano

Schéma du procédé avec et sans étape de décoloration

Membranes

Réservoir alimentation

Réservoir perméat

Pompe

Concentré

Perméat

Schéma du montage de filtration utilisé pour la réalisation des essais

Étapes 1: Caractérisation des cultivars de pommes utilisées (MacIntosh, Cortland et Spartan)

Comparaison des performances de différentes membranes céramiques

Effet des paramètres d’opération sur les performances de la membrane 300kD

Résultats de concentration sur la membrane BW30 du jus de pommes clarifié.

Résultats des analyses de quelques acides organiques dans différents concentrés.

Quantité de pommes : 60,8Kg (Spartan)

Extracteur de jus

Quantité de jus : 28Kg Fructose : 75,3 g/L Glucose : 27,4 g/L Sucrose : 22,4 g/L Total sucres : 125,1 g/L

Résidus : 27,5 Kg

Ajout d’eau : 27,5 Kg

Extracteur de jus Résidus : 27.2Kg (Rejet)

Liquide : 22.8Kg Fructose : 36 g/L Glucose : 13,6 g/L Sucrose : 12,3 g/L Total sucres : 61,9 g/L

Mélange des deux produits (filtration sur poche) Quantité : 46Kg Fructose : 55,7 g/L Glucose : 21,5 g/L Sucrose : 17 g/L Total sucres : 94,2 g/L

Clarification par UF et diafiltration

Concentré (rejet)

Jus clarifié Quantité : 50 Kg Fructose : 50 g/L Glucose : 18,3 g/L Sucrose : 14,8 g/L Total sucres : 83,1 g/L

Concentration par OI

Perméat (rejet)

Concentré : Quantité : 22 Kg Fructose : 115,14 g/L Glucose : 43,3 g/L Sucrose : 35,23 g/L Total sucres : 193,7 g/L

Quantité de sucres dans le concentré : 4,26 Kg. Taux de sucres par rapport aux pommes : 7%

Résultats de l’essai d’extraction, clarification et concentration des sucres (cultivar Spartan)

Quantité de pommes : 61,4 Kg (Cortland)

Extracteur de jus

Quantité de jus : 25,6 Kg Fructose : 60,04 g/L Glucose : 26,21 g/L Sucrose : 22.94 g/L Total sucres : 109,2 g/L

Résidus : 29,9 Kg


Extracteur de jus Résidus : 30,6 Kg

Liquide : 37,9 Kg Fructose : 22,77 g/L Glucose : 10,27 g/L Sucrose : 9,61 g/L Total sucres : 42,65 g/L

Mélange des deux produits (filtration sur poche) Quantité : 57,3 Kg Fructose : 41,53 g/L Glucose : 17,54 g/L Sucrose : 16,51 g/L Total sucres : 75,58 g/L


Concentré (rejet)

Jus clarifié Quantité : 62,3 Kg Fructose : 37,27 g/L Glucose : 16,72 g/L Sucrose : 14,80 g/L Total sucres : 69,22 g/L


Perméat (rejet)

Concentré : Quantité : 19,3 Kg Fructose : 114,26 g/L Glucose : 50,90 g/L Sucrose : 46,40 g/L Total sucres : 211.56 g/L

Quantité de sucres dans le concentré : 4,08 Kg Taux de sucres par rapport aux pommes : 6,6 %

Résultats de l’essai d’extraction, clarification et concentration des sucres (cultivar Cortland)

Quantité de pommes : 60,2 Kg (McIntosh)

Extracteur de jus

Quantité de jus : 25,9 Kg Fructose : 68,24 g/L Glucose : 25,28 g/L Sucrose : 12,81 g/L Total sucres : 103,3 g/L

Résidus : 28,5 Kg


Extracteur de jus Résidus : 24,6 Kg

Liquide : 39,6 Kg Fructose : 31,51 g/L Glucose : 11,43 g/L Sucrose : 8,55 g/L Total sucres : 51,49 g/L

Mélange des deux produits (filtration sur poche) Quantité : 60,6 Kg Fructose : 45,2 g/L Glucose : 16,34 g/L Sucrose : 8,01 g/L Total sucres : 69,55 g/L


Concentré (rejet)

Jus clarifié Quantité : 65,6 Kg Fructose : 41,37 g/L Glucose : 14,37 g/L Sucrose : 7,92 g/L Total sucres : 63,66 g/L


Perméat (rejet)

Concentré : Quantité : 21,9 Kg Fructose : 113,89 g/L Glucose : 39,41 g/L Sucrose : 20,99 g/L Total sucres : 174,29 g/L

Quantité de sucres dans le concentré : 4,82 Kg Taux de sucres par rapport aux pommes : 6,3 %

Résultats de l’essai d’extraction, clarification et concentration des sucres (cultivar McIntosh)

La concentration des sucres de pommes, après l’étape de clarification par UF; Étape II. Concentration par nanofiltration ou osmose.

La concentration des sucres de pommes, après l’étape de clarification par UF; Étape II. Concentration par nanofiltration. L’étape III. Évaporation (sous vide).

Filtration du sirop (65 Brix) par filtre à plaque avant remplissage des barils de 200 litres ou l’embouteillage.

Implantation d’une usine d’une capacité de 100 000 litres/année de sirop de pommes

Le procédé et le produit développés, brevetés. Patent Number: US (61/641,551) 2012-05-02

Développement de produits et de suppléments alimentaires

- Développement à partir de la «pommace» des granules et suppléments alimentairesde spécialité et gâteries pour l’élevage équin, pet-food

- Développement à partir de «pommace» déshydratée des produits solides (contenant des fibres naturelles, vitamines, polyphénols). Niches de marchés cibles: Pain supplémenté, barres tendres, collations santé…)

Projet 2: Production d’acide lactique biosourcé par bioconversion de substrats issus de résidus industriels et agroalimentaires.

Substrats utilisés:

1) Résidus agroalimentaire (résidus d’une usine de production de jus d’orange/citrus)

2) Hydrolysat de pâte craft (résidus industrie des pâtes et papiers)

3) Hydrolysat de pâte thermomécanique (résidus industrie des pâtes et papiers)

Substrat + Bioagent Acide lactique

Bioagent = (Lactobacillus rhamnosus)

Substrat 1= Glucose+ Fructose + sucrose/C6et C12 et présence d’inhibiteurs)

Substrat 2 = xylose (C5/présence d’inhibiteurs)

Substrat 3=Glucose (C6 peu d’inhibiteurs)

La bioconversion:

Substrats complexe

Choix du micro-

organisme

Choix des conditions de

cultureChoix des

suppléments

Importance de la contrainte de substrats dans l’élaboration de plusieurs aspects critiques

de la production d’acide lactique

Analyse RésultatsXylose (g/L) 0,10

Fructose (g/L) 18,53Glucose (g/L) 20,505Sucrose (g/L) 27,66

Phénol totaux UV/visible (g/L) 1,07Carbone Organique Total (g/L) 46,8

Azote Total kjeldahl (g/L) 0,802HMF (PPM) 2,1

Furfural (PPM) 0,5Acide Gallique (PPM) 0,0

Catechol (PPM) 31,3Vanilline (PPM) 0,1

Syringaldéhyde (PPM) 1,0pH 2,5

Acide lactique (g/L) 0,25Acide acétique (g/L) 0,10

Acide propionique (g/L) 0,31

Minéraux Fraction liquide (ppm) RésultatsAl

Analyse RésultatsXylose (g/L) 18,06

Glucose (g/L) 1,06Phénol totaux UV/visible (g/L) 0,80Carbone Organique Total (g/L) 21,14

Azote Total kjeldahl (g/L) 0,039Acide lactique (g/L) 0,472Acide acétique (g/L) 4,5

Acide propionique (g/L) 0,032HMF (PPM) 112,2

Furfural (PPM) 411,7Acide Gallique (PPM) 23,1

Catechol (PPM) 370,4Vanilline (PPM) 39,8

Syringaldéhyde (PPM) 45,4pH 8

Minéraux Fraction liquide (ppm)

Résultats

Al

Hydrolysat Ratio Carbone/AzoteRLAF-004

Milieu de référence MRS 6,3

RLAF-005

Hydrolysat kraft détox +

minéraux et azote

1,42

RLAF-008

Hydrolysat kraft 3X et détox + minéraux et

azote

21

RLAF-009

Hydrolysat kraft + minéraux et

azote17

RLAF-010

Hydrolysat kraft + 20g/L glucose + minéraux et

azote

22

RLAF-011

20g/L xylose + suppléments +

minéraux et azote

7

RLAF-012

Hydrolysat kraft détox + 20g/L

glucose + minéraux et

azote

20

16,02

0,00 0,00 0,00 0,27 0,52 2,812,37 0,00 0,00 0,00 0,00 0,37 0,62

17,15

0,50 0,00 0,00 0,00 6,00 2,70

Conc

entr

atio

n (g

/L)

Production d'acide organique lors des fermentations

Acide Lactique (g/L) Acide Acétique (g/L)

Consomation de sucre (g/L)

Résultats de la fermentation avec l’hydrolysat

Substrat d’agrume

Ratio Carbone/Az

oteRLAF-004

Milieu de référence MRS 6,3

RLAF-006

Jus d'agrume 1/3 + minéraux

et azote9,5

RLAF-007

Jus d'agrume + minéraux et

azote15,9

RLAF-013

Jus d'agrume + Azote 19,9

RLAF-014 Jus d'agrume 57,1

RLAF-015

Jus d'agrume 1/3 + minéraux et azote + Feed

jus d'agrume

12

16,0220,54

62,70

42,78

0,002,37 5,68 0,00 0,53 0,0017,15 19,18

51,92

41,88

0,00

RLAF-004 RLAF-006 RLAF-007 RLAF-013 RLAF-014

Conc

entr

atio

n (g

/L)

Production d'acide organique lors des fermentations

Acide Lactique (g/L) Acide Acétique (g/L) Consomation de sucre (g/L)

Résultats de la fermentation avec le substrat d’agrumes

Les rendements d’acide lactique obtenus:

Substrat 1= Résidus d’agrumes Rdt= 62,7g/l)

Substrat 2 = hydrolysat de pâte Kraft Rdt

Un procédé de recyclage de matière organique

Digestion Anaérobie

Option pour respecter la nouvelle loi de gestion de matières putrescibles

Technologie prouvée

Besoin de études pour chaque cas afin de bien réussir une exploitation industrielle

Biométhanisation

Biométhanisation

Chen et al., 2015

Biométhanisation


CommunautéMicrobienne

Matière organique

Biogaz (CH4, CO2)

Digestat

Origine :- Municipal- Agro-industriel

Biométhanisation


CommunautéMicrobienne

HydrolyseMO BiogazAcido-genèse

Acéto-genèse

Méthano-genèse

Biométhanisation

Chen et al., 2015

Typical composition of biogas

Component (%) Agricultural waste Landfills Industrial waste

Methane CH4 50-80 50-80 50-70

Carbon dioxide CO2 30-50 20-50 30-50

Hydrogen sulphide H2S 0.70 0.10 0.80

Hydrogen H2 0-2 0-5 0-2

Nitrogen N2 0-1 0-3 0-1

Oxygen O2 0-1 0-1 0-1

Carbon monoxide (CO) 0-1 0-1 0-1

Ammonia NH3 Traces Traces Traces

Siloxanes Traces Traces Traces

Water H2O Saturation Saturation Saturation


Component (%)

Agricultural waste

Landfills

Industrial waste

Methane CH4

50-80

50-80

50-70

Carbon dioxide CO2

30-50

20-50

30-50

Hydrogen sulphide H2S

0.70

0.10

0.80

Hydrogen H2

0-2

0-5

0-2

Nitrogen N2

0-1

0-3

0-1

Oxygen O2

0-1

0-1

0-1

Carbon monoxide (CO)

0-1

0-1

0-1

Ammonia NH3

Traces

Traces

Traces

Siloxanes

Traces

Traces

Traces

Water H2O

Saturation

Saturation

Saturation


Component (%)

Agricultural waste

Landfills

Industrial waste

Methane CH

4

50

-

80

50

-

80

50

-

70

Carbon dioxide CO

2

30

-

50

20

-

50

30

-

50

Hydrogen sulphide H

2

S

0.70

0.10

0.80

Hydrogen H

2

0

-

2

0

-

5

0

-

2

Nitrogen N

2

0

-

1

0

-

3

0

-

1

Oxygen

O

2

0

-

1

0

-

1

0

-

1

Carbon monoxide (CO)

0

-

1

0

-

1

0

-

1

Ammonia NH

3

Traces

Traces

Traces

Siloxanes

Traces

Traces

Traces

Water H

2

O

Saturation

Saturation

Saturation


Component (%) Agricultural waste Landfills Industrial waste

Methane CH

4

50-80 50-80 50-70

Carbon dioxide CO

2

30-50 20-50 30-50

Hydrogen sulphide H

2

S 0.70 0.10 0.80

Hydrogen H

2

0-2 0-5 0-2

Nitrogen N

2

0-1 0-3 0-1

Oxygen O

2

0-1 0-1 0-1

Carbon monoxide (CO) 0-1 0-1 0-1

Ammonia NH

3

Traces Traces Traces

Siloxanes Traces Traces Traces

Water H

2

O Saturation Saturation Saturation

Biométhanisation

Processus de mise à l'échelle

Biométhanisation

Fuente: Baldwin, 2009

Biométhanisation

Baldwin, 2009

Composants mélange R01 Proportion de MS dans R01 (%) Teneur en MS intrant brut (%)MOTS+ICI 63 21Boues 37 33

Composants mélange R07 Proportion de MS dans R07(%) Teneur en MS intrant brut (%)MOTS+ICI 36 21Gazon 41 25Boues 23 33

Biométhanisation

Biométhanisation

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 5 10 15 20 25 30

Ren

dem

ent d

e bi

ogaz

(m3 /t

on M

O)

Temps (jour)

Rendement de production de biogaz(BMP)

R01R07

Biométhanisation

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20 25 30Ren

dem

ent d

e m

étha

ne (m

3 /ton

MO

)

Temps (jour)

Rendement de production de méthane(BMP)

R01

R07

BiométhanisationVariation de la concentration de méthane et du pH dans le digesteur thermophile

4

5

6

7

8

0

20

40

60

80

10 15 20 25 30 35

pH

Con

cent

ratio

n de

mét

hane

(%)

Semaine

Digesteur Thermophile - R01

CH4 (%)pH

BiométhanisationVariation de la concentration de méthane et du pH dans le digesteur mésophile utilisant comme intrant la recette d’hiver R01

7,0

7,5

8,0

40

50

60

70

80

10 15 20 25 30 35

pH

Con

cent

ratio

n de

mét

hane

(%)

Semaine

Digesteur mésophile - R01

CH4 (%)pH

Biométhanisation

Variation de la concentration de méthane en fonction de la capacité tampon du digestat pour des digesteurs thermophiles alimentés avec les recettes R01 ou R07 et des boues d’abattoir.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120 140

Con

cent

ratio

n de

mét

hane

(% v

/v)

Capacité tampon (meq NaOH)

Variation de la concentration de CH4 en fonction de la capacité tampon

R01R07

Développement et optimisation du procédé de biométhanisation pour l’usine de Rivière du Loup

Clients: Terix-Envirogaz et SEMER

Déterminer le potentiel énergétique de la matièreBMP- Biomethane Potential

Pilote au CNETE: Plateforme biométhanisation 300L

CNETE: Pilote chez le client: Digesteur pilote 4 500L

Usine de production de biogaz 2 M litres (Rivière-Du-Loup)

Nos réalisations:

Conclusion:

Ils existe plusieurs voies de valorisation de la matière organique, des résidus solides ou liquides industriels et agro-industriels.

Le développement de bioproduits reste une voie attrayante puisque les marchés des Bioproduits et des extractibles est en développement continu.

Le développement de produits par bioconversion, fermentation et bioprocédés Fermentaires est une autre voie en pleine expansion et d’avenir.

Merci

Une équipe, une force

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