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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.

Production d’ExoPolySaccharides (EPS) 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 substances exopolymériques (ePS) produites, qui comprennent les EPS, seront utilisées comme coagulant/floculant dans l’étape de décantation primaire 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 le traitement des eaux usées. 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 l’étape de décantation primaire des procédés de traitement d’eaux usées.

Résultats

Pour les sous-produits considérés (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 sont utilisés comme substrat pour la sélection et la production des EPS, permettant, par conséquent, de maximiser la valorisation des matrices.
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 producteurs d’EPS. Ces EPS présentent les caractéristiques fonctionnelles d’intérêt lors de leur mise en œuvre sur des eaux usées. 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 d’autres molécules de la biomasse. Les EPS bruts produits à partir des hydrolysats présentent des caractéristiques fonctionnelles de floculant comparables à celles obtenues avec le polyacrylamide. Ces performances ont été confirmées lors de leur mise en œuvre sur eaux usées urbaines à échelle pilote, ce qui est positif du point de vue performance et économie.
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. Il a été possible d’obtenir des alginates plastifiés par voie de mélange thermomécanique, ce qui est une première mondiale. Les conditions de mise en œuvre et de formulation optimale ont été définies. Des mélanges alginate-chitosan ont été produits par voie de mélange thermomécanique, avec des propriétés mécaniques intermédiaires entre l’alginate et le chitosan et présentant des propriétés antimicrobiennes.
L’évaluation technico-économique et environnementale du procédé a été réalisée.

Perspectives

Les résultats obtenus ont permis d’atteindre l’objectif principal visé par ce projet, qui 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 (décantation primaire), et promouvoir ainsi l’application d’un modèle d’économie circulaire, tout en réduisant l’utilisation de réactifs chimiques externes. D’autre part le travail réalisé a aussi mis en évidence que l’innovation portée au travers de CHWWEPS doit encore être poursuivie des travaux de Recherche, et que :
• il est nécessaire d’approfondir les connaissances dans le sujet pour bien comprendre les facteurs responsables de la fonctionnalité des EPS produits, via notamment une caractérisation plus approfondie des EPS produits pour mieux contrôler et produire durablement ces molécules (envisager une industrialisation);
• que d’autres applications semblent possibles pour certains EPS produits et cette piste est à développer.
Certains aspects sont traités via une étude complémentaire de maturation en cours.

Productions scientifiques et brevets

Les travaux du projet ont permis la réalisation de dix communications dans des congrès internationaux ainsi qu’une en congrès national. Trois manuscrits ont été publiés dans des journaux scientifiques internationaux et d’autres productions scientifiques portant la production d’EPS par un consortium bactérien sélectionné et son application dans le domaine de traitement de l’eau usée, sont en préparation. Les travaux de collaboration entre les partenaires INSA Toulouse et VERI font l’objet de génération de PI en cours d’instruction.

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.