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Ecotechnologies & EcoServices (ECO-TS)
Edition 2013


CHWWEPS


CarboHydrate from Waste Water to ExoPolySaccharide : Valorisation des carbohydrates des déchets et effluents aqueux pour la production de polysaccharides d'interet commercial.

ExoPolySaccharides à partir des Carbohydrates présents dans les eaux usées
Valorisation des carbohydrates des déchets et effluents aqueux pour la production de polysaccharides d'intérêt commercial

Développement d’une voie de valorisation de sous-produits ou effluents, difficiles à valoriser, via la production de polymères d’intérêt commercial tels que les alginates.
La déplétion des ressources fossiles dans une économie dépendante du carbone impose une pression croissante sur les ressources de carbone biologique (renouvelables) pour des applications alimentaires et non-alimentaires (biocarburants, bioénergie, biopolymères, produits chimiques biosourcés). Par ailleurs, la quantité de déchets produits par les sociétés ne cesse d’augmenter. Une économie biosourcée durable nécessite la mise en place d’une stratégie de « zero waste », c’est-à-dire, d’essayer de récupérer toute la valeur intrinsèque présente dans les déchets et effluents avant leur rejet (après traitement) en milieu naturel. Des chaînes de production véritablement durables, ne peuvent se limiter à remplacer le carbone d’origine fossile par du carbone biosourcé dans des schémas de production linéaires, mais à l’inverse, doivent développer des procédés de production avec une approche multi cyclique de l’utilisation du carbone biologique. Ceci est un élément clé du projet CHWWEPS. Les sous-produits et effluents envisagés dans le projet contiennent des mélanges hétérogènes de carbohydrates macromoléculaires (tels que cellulose et amidon) en présence d’autres sources de carbone (graisses et protéines) et de contaminants inorganiques. Ils seront premièrement hydrolysés pour rendre accessibles les sucres monomériques. Ces hydrolysats seront par la suite utilisés comme source de carbone pour la production microbienne d’exopolysaccharides (EPS). Les EPS produits seront utilisés soit directement soit après modification comme coagulant/floculant dans des étapes de décantation primaire ou clarification tertiaire dans le traitement des eaux résiduaires.

La valorisation de sous-produits ou effluents en polymères d’intérêt commercial nécessite le développement d’un procédé multi étapes.
Le projet CHWWEPS a pour objectif de démontrer l’utilisation efficace des EPS produits dans le cadre du projet comme coagulant/floculant dans des étapes de décantation primaire ou clarification tertiaire. Le modèle économique ainsi construit permet de boucler la chaîne de valeur autour de l’industrie de l’assainissement.
La clé de cette stratégie de valorisation de déchets/effluents repose sur une approche innovante où : (i) les matrices « substrat » utilisées sont environnementales et par conséquent complexes (hétérogénéité, flux dilués), (ii) la production des EPS est assurée par des consortia microbiens en systèmes ouverts plutôt que par des souches bactériennes pures (qui nécessitent des conditions d’opération très spécifiques et notamment que l’on conditionne la source de carbone et/ou la présence de contaminants à chaque souche), (iii) la production ciblée de certains types d’EPS est obtenue par l’imposition d’une pression de sélection pour la fonction ciblée (la synthèse d’EPS) conduisant ainsi à une spécialisation de fonction du consortium qui lui permettra d’atteindre des performances similaires à celles des souches pures tout en gardant la robustesse des consortia mixtes. Pour permettre l’imposition d’une pression de sélection optimale, les sous-produits et effluents sont premièrement hydrolysés pour rendre accessibles les sucres monomériques. Les EPS produits par le consortium sélectionné seront ensuite récupérés et caractérisés pour s’assurer que ceux retenus répondent au cahier de charges des polymères utilisés pour les applications telles que la coagulation/floculation dans des étapes de décantation primaire ou clarification tertiaire des procédés de traitement d’eaux usées.

Résultats

Les premiers résultats obtenus indiquent que, pour les sous-produits considérés dans le projet dont la teneur en sucres est >50% de la matière organique, une combinaison de traitements sera probablement nécessaire afin de maximiser la disponibilité de sucres monomériques qui devront être utilisés comme substrat pour la sélection et la production des EPS, et par conséquent maximiser la valorisation des matrices.
Un des enjeux du projet concerne la quantification des EPS produits par le consortium microbien. Sans une méthodologie de quantification d’EPS de type alginate adéquate, il ne sera pas possible de choisir les meilleures conditions de pression de sélection, ni d’estimer le rendement de conversion du procédé. Pour ces raisons, une partie importante du travail se centre sur cet aspect, avec le développement d’une méthodologie de quantification d’EPS de type alginate. Les essais expérimentaux réalisés portant sur la sélection d’un consortium microbien producteur d’EPS et utilisant un substrat synthétique à base de sucres ont permis l’identification de paramètres favorisant la production d’EPS. D’autre part, la caractérisation fonctionnelle des EPS de type alginate a été initiée avec le développement de protocoles adaptés en vue de l’application envisagée dans le domaine de traitement de l’eau usée.
La compilation des éléments nécessaires à la réalisation du bilan technico-économique et environnemental du procédé a été démarrée.

Perspectives

La suite du travail va se concentrer sur le choix des conditions optimales de pression de sélection à appliquer pour permettre la sélection d’un consortium microbien ayant la capacité de production d’EPS. Il est aussi prévu de tester l’EPS de type alginate produit comme agent adjuvant de coagulation/floculation sur des eaux usées réelles.
L’objectif visé par ce projet est de permettre le développement d’une application des EPS produits in situ par des consortia microbiens pour une utilisation interne dans la STEP, et promouvoir ainsi l’application d’un modèle d’économie circulaire, tout en réduisant l’utilisation de réactifs chimiques externes.

Productions scientifiques et brevets

Des productions scientifiques portant sur différents aspects du projet tels que la production d’EPS par un consortium bactérien sélectionné, sa récupération et son application dans le domaine de traitement de l’eau usée sont envisagées. La génération de PI est aussi une possibilité.

Partenaires

INSA / LISBP INSA / Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés

 NOVASEP PROCESS

SOLAGRO SOLAGRO

Unistra Université de Strasbourg

VEOLIA VEOLIA ENV RECHERCHE ET INNOVATION

Aide de l'ANR 642 567 euros
Début et durée du projet scientifique mars 2014 - 48 mois

Résumé de soumission

Le projet CHWWEPS a pour objectif de développer une voie de valorisation de sous-produits ou effluents, d’origine municipale ou industrielle, difficiles à valoriser, en produisant des polymères d’intérêt commercial tels que les alginates. Ces sous-produits et effluents, comprenant des mélanges hétérogènes de carbohydrates macromoléculaires en présence d’autres sources de carbone (graisses et protéines) et de contaminants inorganiques, seront premièrement hydrolysés pour rendre accessibles les sucres monomériques. Ces hydrolysats seront par la suite utilisés comme source de carbone pour la production microbienne d’exopolyssacharides (EPS). Les EPS produits seront directement appliqués comme coagulant/floculant dans des étapes de décantation primaire ou clarification tertiaire dans le traitement des eaux résiduaires.
En effet, la déplétion des ressources fossiles dans une économie dépendante du carbone impose une pression croissante sur les ressources de carbone biologique (renouvelables) pour des applications alimentaires et non-alimentaires (biocarburants, bioénergie, biopolymères, produits chimiques biosourcés). Par ailleurs, la quantité de déchets produits par les sociétés ne cesse d’augmenter. Une économie biosourcée soutenable nécessite que soit mise en place une stratégie de « zero waste », c’est-à-dire, doit essayer de récupérer toute la valeur intrinsèque présente dans les déchets et effluents avant leur rejet (après traitement) en milieu naturel. Des chaines de production véritablement soutenables, ne peuvent se limiter à remplacer le carbone d’origine fossile par du carbone biosourcé dans des schémas de production linéaires, mais à l’inverse, doivent développer des procédés de production avec une approche multi cyclique de l’utilisation du carbone biologique. Ceci est un élément clé du projet CHWWEPS.
Un grande nombre d’EPS microbiens (tel que l’alginate) ont été identifiés, mais peu sont utilisés dans des procédés industriels, et tous ceux qui le sont, sont produits par fermentation de souches microbiennes pures à partir de substrats chers. Les propriétés rhéologiques de ces alginates sont similaires à celles des alginates extraits d’algues qui sont utilisés aujourd’hui dans des procédés industriels, comme modificateurs de rhéologie.
Les procédés de traitement d’eaux usées nécessitent en traitement primaire d’une étape d’élimination de la matière en suspension par coagulation et floculation. Du chlorure ferrique et des polyacrylamides sont généralement utilisés dans ces étapes comme coagulant et adjuvant de la floculation, respectivement. Veolia Eau a un intérêt pour l’utilisation de polymères biosourcés dans les procédés de traitement des eaux usées afin de réduire l’utilisation de réactifs chimiques.
Le projet CHWWEPS a pour objectif de démontrer l’utilisation efficace des EPS produits dans le cadre du projet comme coagulant/flocculant dans des étapes de décantation primaire ou clarification tertiaire. Le modèle économique ainsi construit permet de boucler la chaine de valeur autour de l’industrie de l’assainissement.
La clé de cette stratégie de valorisation de déchets/effluents consiste à répondre aux caractéristiques de matrices (hétérogénéité, courants dilués) qui les rendent difficiles à valoriser, par une approche innovante qui consiste à mettre en œuvre des systèmes qui, au lieu d’utiliser des souches bactériennes pures (qui nécessitent des conditions d’opération très spécifiques et notamment que l’on conditionne la source de carbone et/ou la présence de contaminants à chaque souche), utilisent des consortia microbiens opérés en conditions de non-stérilité, où l’on conduit de l’ingénierie de consortium, c’est-à-dire, où à travers l’imposition d’une pression de sélection pour la fonction ciblée (la synthèse d’EPS) on peut obtenir une spécialisation de fonction du consortium qui lui permettra d’atteindre des performances similaires à celles des souches pures tout en gardant la robustesse des consortia mixtes.

 

Programme ANR : Ecotechnologies & EcoServices (ECO-TS) 2013

Référence projet : ANR-13-ECOT-0004

Coordinateur du projet :
CIRNE Dores (VEOLIA ENV RECHERCHE ET INNOVATION)
Dores.CIRNE@nullveolia.com

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.