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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, difficiles à valoriser, pour la production d’exopolysaccharides d'intérêt commercial & industriel. Sur un concept d’économie circulaire, l’objectif est de développer la chaine complète de production de ces polysaccharides et de définir leurs utilisations potentielles en industrie, en particulier dans le traitement des eaux.

Valorisation de sous-produits ou effluents via la production de polymères d’intérêt commercial tels que les alginates.
L’épuisement des ressources fossiles dans une économie dépendante du carbone conduit à une pression croissante sur les ressources de carbone biologique (renouvelables) pour des applications alimentaires et non-alimentaires. 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 visant le « zéro déchet », c’est-à-dire, basée sur la récupération de 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 tout d’abord 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 comme coagulant/floculant dans des étapes de décantation primaire ou clarification tertiaire dans le traitement des eaux résiduaires. Des voies de valorisation à plus haute valeur ajoutée sont aussi envisagées. Une étude technico économique et environnementale sera réalisée pour évaluer les voies de valorisation des stratégies développées.

Procédé multi étapes incluant l’hydrolyse de déchets et la production d’EPS en culture microbienne mixte, leur récupération et leur réutilisation en traitement des eaux.
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 d’origine 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 fonctionnelle 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

Hydrolyse de déchets : à l’échelle laboratoire, pour les sous-produits considérés dans le projet dont la teneur en sucres est >50% de la matière organique, un traitement hydrolytique basé sur l’utilisation d’un cocktail enzymatique adapté permet de rendre disponible presque la totalité du potentiel sucres sous la forme monomérique. Ces sucres monomériques devront être utilisés comme substrat pour la sélection et la production des EPS, permettant, par conséquent, de maximiser la valorisation des matrices.
Sélection microbienne, production et récupération des EPS : les essais, à l’échelle laboratoire en réacteur continu utilisant un substrat synthétique à base de sucres, ont permis la définition de conditions opératoires favorisant la sélection de consortia producteur d’EPS. Ces EPS présentent les caractéristiques fonctionnelles d’intérêt lors de leur mise en œuvre sur eaux usées. Leur caractérisation (fonctionnelle et biochimique) a été développée et se poursuit actuellement. Les essais de récupération et de quantification des EPS montrent qu’il est nécessaire de développer des méthodes spécifiques du fait des caractéristiques complexes des interactions entre EPS et autres molécules de la biomasse.
Production de matériaux à haute valeur ajoutée : en parallèle, une étude portant sur la faisabilité de la formulation d’EPS de type alginate a été réalisée utilisant un alginate d’origine commercial. Une première formulation par voie de mélange thermomécanique a été obtenue et les conditions de mise en œuvre et de formulation optimales ont été définies.
Des éléments pertinents ont été recueillis pour l’évaluation technico-économique et environnementale du procédé ainsi que pour l’intégration au sein de la filière globale.

Perspectives

Pour évaluer la filière dans des conditions plus réelles, le travail va se poursuivre avec l’utilisation des hydrolysats de sucres produits à partir des déchets comme substrat pour la sélection d’un consortium microbien ayant la capacité de production d’EPS. Une étude portera également sur la compréhension des conditions favorisant une surproduction d’EPS par le consortium microbien sélectionné. Le développement de la stratégie de récupération des EPS se poursuivra en parallèle. Il est aussi prévu de tester l’EPS produit comme agent adjuvant de coagulation/floculation sur des eaux usées réelles à échelle pilote.
En parallèle, l’étude portant sur la formulation de l’alginate va se poursuivre, et d’autres développements utilisant ce matériel sont aussi prévus en accord avec les intérêts du projet en termes de production de matériaux à haute valeur ajoutée.
L’objectif principal visé par ce projet est de permettre le développement d’une application industrielle des EPS, produits in situ par des consortia microbiens, pour une utilisation interne à la station d’épuration, et promouvoir ainsi l’application d’un modèle d’économie circulaire, tout en réduisant l’utilisation de réactifs chimiques externes.

Productions scientifiques et brevets

L’avancement du projet a déjà permis la réalisation de deux communications dans des congrès en France ainsi qu’une à l’international portant sur les aspects de la production de biopolymères par un consortium bactérien. D’autres productions scientifiques portant sur différents aspects du projet, de la production d’EPS par un consortium bactérien sélectionné à son application dans le domaine de traitement de l’eau usée, sont envisagées. La génération de PI est aussi une possibilité envisagée actuellement.

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.