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Production d'hydrogène par bioconversion du glycérol brut et utilisation durable des rejets liquides générés au cours du processus.

Sarma, Saurabh Jyoti (2014). Production d'hydrogène par bioconversion du glycérol brut et utilisation durable des rejets liquides générés au cours du processus. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 456 p.

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Résumé

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Le biohydrogène est une source d'énergie renouvelable, qui a l’avantage d’être le carburant le plus propre pour l'avenir. La combustion de l'hydrogène ne produit pas de CO2. La seule émission du processus est de l'eau et, par conséquent, ce combustible a un potentiel de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) très élevé. De même, l’hydrogène a une densité d'énergie massique supérieure à celle des combustibles conventionnels tels que l'essence ou le diesel. Sur une note similaire, le biodiesel est l'un des carburants renouvelables principalement étudiés et disponibles au niveau commercial. Au cours de la production du biodiesel par transestérification des lipides (par exemple, les huiles végétales, les graisses animales et les lipides des algues), du glycérol brut (GB) est généré comme sous-produit et représente 10% du poids du produit. En raison de la présence de nombre d'impuretés ainsi que l'augmentation continue de la production mondiale, la valeur de marché actuelle du GB est aussi bas que $ 0.11/kg. De plus, le coût d'élimination efficace et durable du GB contenant du méthanol, du sel et d'autres impuretés est un défi pour les fabricants de biodiesel. En variante, le GB peut être utilisé comme matière première (substrat) pour la production de biohydrogène. De façon conventionnelle, l'hydrogène peut également être produit par des techniques chimiques tels que le reformage à la vapeur du gaz naturel, l’oxydation partielle du pétrole et du charbon par la gazéification. Contrairement à la production biologique d'hydrogène, toutes ces techniques utilisent des combustibles fossiles comme matière première et ne sont donc pas considérés comme des processus durables. Dans le cadre de ce projet de doctorat, la faisabilité technico-économique de la production d'hydrogène par la bioconversion du GB a été évaluée. Le coût le plus élevé de production se situe au niveau du procédé de fermentation. Néanmoins, certaines options alternatives pour la réduction du coût du procédé ont été identifiées. Une recherche a été effectuée afin de déterminer le potentiel maximum de production de H2 à partir du GB en l'absence de tout nutriment coûteux supplémentaire. Une production maximale de 2023 mL-H2/L-milieu a été atteint et 10 g/L de GB a été jugée la concentration initiale optimale. En outre, l'ajout au milieu d’une quantité de biomasse endogène (50 mg/L) provenant d’une fermentation antérieure et dont les ressources sont épuisées a permis d’améliorer la production de 32,5%. De même, l'application de suppléments moins chers, tels que les rejets liquides d’abattoir (LA), les déchets de brasserie (BDB) et l'urée ont amélioré la production de 19±4, 27±3 et 39±4%, respectivement. Le citrate ferrique et ses particules séchées par un atomiseur ont également amélioré la production d'hydrogène de 17,2% à 31,7%. La production d'hydrogène utilisant des concentrations extrêmement faibles de GB initiale de 100 mg/L a permis de produire 22,7 mol-H2/kg GB soit une valeur de 2,75 fois plus élevées que la valeur de 8,25 mol-H2/kg GB connu pour les systèmes de fermentation sombre. L'effet inhibiteur des impuretés contenues dans le GB d’origine industrielle, telles que le methanol, NaCl et le savon a été étudié. Sur la base de la vérification effectuée en utilisant la méthodologie de réponse de surface, il a été observé que le savon est le facteur le plus significatif (valeur p = 0,0104 < 0,05) pour inhiber la production d'hydrogène. Afin de réduire l'effet inhibiteur du savon, le GB a été traité avec du MgSO4 pour convertir le savon en une forme inactive (écume). L'approche a permis d’augmenter la production cumulative de H2 (34,7%) ainsi que l'utilisation du glycérol (près de 2,5 fois). Du même coup, le traitement permet d’augmenter la teneur en Mg (un nutriment) dans le milieu passant d’une concentration de 0,57 mg/L à 201,9 mg/L. Pour éviter l'inhibition du processus métabolique ou décalage possible en raison de l'accumulation d'acide organique dans le milieu, lors de la fermentation, un ajustement rigoureux du pH est nécessaire. Comme alternative, pour la première fois, un système de bioréacteur anaérobie à deux phases a été mis au point pour l'extraction in situ des différents acides organiques générés lors de la fermentation. Sur la base de biocompatibilité, l'alcool oléique a été sélectionné en tant que phase organique du système et une augmentation de la production d'hydrogène de 26,6 mmol/L à 29,6 mmol/L-milieu de culture a été obtenu. En ce qui concerne les expérimentations finales, un procédé semi-continu a été utilisé pour éviter l'inhibition du substrat, ainsi que réduire l'accumulation de sous-produits pendant la production d'hydrogène. Le processus a été optimisé pour produire un rendement volumique aussi haut que 5.18 L-H2/L-milieu de culture, ce qui est nettement supérieur à celui de 2,02 à 2,68 L-H2/L-milieu précédemment rapporté pour la bioconversion du GB. Quant au volet visant la valorisation des rejets de fermentation l’aspect solubilisation du phosphate a été abordé. Certains bio-fertilisants commerciaux solubilisant le phosphate (PSB) utilisent des acides organiques pour chélater les cations de phosphates insolubles (comme Ca3(PO4)2) présents dans le sol pour solubiliser le phosphate et le rendre disponible pour les plantes. Il a été observé que le liquide organique des rejets de fermentation du GB est riche en acide organique et pourrait servir à la solubilisation du phosphate. Des essais en laboratoire ont donc été réalisés. Lors de son ajout au sol, une augmentation de l’assimilation du phosphore de 2,18 à 2,74 fois a été mesuré par les plantes de soya. Ces résultats suggèrent que les déchets liquides de fermentation du GB ont le potentiel de remplacer les PSB disponibles dans le commerce. De même, lors de la production d'hydrogène par fermentation, en plus de H2, divers produits chimiques industriels, y compris l'éthanol, le 1,3 propanediol et de l'acide butyrique sont produits. Si ces produits ne sont pas récupérés, le liquide résiduel peut être utilisé comme matière première pour la production de polyhydroxyalcanoates, des lipides, CH4, H2 et de l'électricité. Ainsi, dans le cadre de la présente recherche, un processus de production de biohydrogène a été évalué comme une bioraffinerie ayant le potentiel de produire du biocarburant, des produits de la chimie fine et des biomatériaux. La stratégie pourrait être utile pour réduire le coût global du processus en générant des revenus de sources multiples.

Abstract

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Biohydrogen is the renewable energy source, which has been postulated to be the cleanest fuel for future. Hydrogen combustion does not produce CO2; sole emission of the process is water and hence, it has very high greenhouse gas (GHG) emission reduction potential. Likewise, H2 has a gravimetric energy density higher than conventional fuels such as gasoline, diesel. On a similar note, biodiesel is one of the mostly studied and commercially available renewable fuels. During biodiesel production by transesterification of lipids (e.g. vegetable oils, animal fats and algal lipids) crude glycerol (CG) is generated as a byproduct; and by weight, it is around 10 % of the product. Due to presence of number of impurities as well as continuous increase in its global production, the present market value of CG is as low as $ 0.05/pound. Additionally, cost effective and sustainable disposal of CG containing methanol, salt and other impurities is a challenge for biodiesel manufacturers. Alternatively, CG can be used as a feedstock for microbial hydrogen production. Hydrogen can also be produced by chemical techniques such as steam reforming of natural gas; partial oxidation of heavy oil and coal gasification. Unlike biological hydrogen production, all these techniques use fossil fuels as the feedstock and thus are not considered as sustainable processes. As a part of the present investigation, techno-economic feasibility of hydrogen production by CG bioconversion has been evaluated and high process cost was found to be the major bottleneck. Nevertheless, certain achievable alternative options for reduction of process cost have been identified. An investigation has been carried out to determine maximum H2 production potential of CG in the absence of any additional expensive supplement. A maximum production of 2022.5 mL H2/L medium has been achieved and 10 g/L was found to be the optimum initial CG concentration. Further, addition of spent biomass (50 mg/L) of the process into a subsequent process was found to improve the production by 32.50%. Similarly, application of less expensive supplements, such as slaughterhouse liquid waste (SL), brewery waste biomass (BWB) and urea was found to improve the production by 18.81 ± 3.56, 27.30 ± 3.54 and 38.57 ± 3.66 %, respectively. Ferric citrate and its nano-spray dried particles have also been found to enhance hydrogen production by 17.18% to 31.71%. Hydrogen production using extremely low initial CG concentration of 100 mg/L has been found to produce 22.7 mol-H2/kg CG; which is 2.75 folds higher than the value of 8.25 mol-H2/kg CG known for dark fermentation. The effect of CG impurities, such as methanol, NaCl and soap on hydrogen production and substrate (glycerol) utilization has been studied. Based on the investigation carried out using response surface methodology, it has been observed that soap is the most significant factor (p value = 0.0104 < 0.05) to inhibit hydrogen production. In order to reduce the inhibitory effect of soap, CG was treated with MgSO4 to convert the soap to its inactive form (scum). The approach was found to increase cumulative H2 production (34.70%) as well as glycerol utilization (nearly 2.5 folds). Additionally, the treatment can increase the Mg (a nutrient) content of the medium from 0.57 ppm to 201.92 ppm. To avoid process termination or possible metabolic shift due to organic acid accumulation in the medium, during fermentative hydrogen production a rigorous pH adjustment is necessary. Alternatively, for the first time, a two phase anaerobic bioreactor system has been developed for in situ extraction of different organic acid byproducts. Based on biocompatibility, oleyl alcohol has been chosen as the organic phase of the system and an increase in hydrogen production from 26.58 mmol/L to 29.61 mmol/L-medium has been achieved. Further, a semi-continuous process has been used to avoid substrate inhibition as well as to minimize byproducts accumulation during hydrogen production. The process was found to produce as high as 5.18 L-H2/L- medium, which is significantly higher than 2.02 to 2.68 L-H2/L-medium previously reported for CG bioconversion. Organic acids produced by commercial phosphate solubilizing bio-fertilizer (PSB) can chelate the cations of insoluble phosphates (such as Ca3 (PO4)2) present in soil to solubilize the phosphate and make it available for plants. It has been observed that organic acid-rich liquid waste of fermentative hydrogen production process also has excellent phosphate solubilizing ability. Upon its addition to soil, 2.18 to 2.74 folds increase in phosphorus uptake by soybean plants has been observed. The finding indicates that the liquid waste has the potential to be an alternative for PSB. Likewise, during fermentative hydrogen production, in addition to H2, various industrial chemicals including ethanol, 1,3 propanediol and butyric acid are produced. If these products are not recovered, the liquid waste can be used as the feedstock for production of polyhydroxyalkanoates, lipid, CH4, H2 and electricity. Thus, as a part of present investigation, biohydrogen production process has been evaluated as a potential biorefinery producing biofuels, fine chemicals and biomaterials. The strategy could be useful to reduce overall cost of the process by generating revenue from multiple sources.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Brar, Satinder Kaur
Co-directeurs de mémoire/thèse: Le Bihan, Yann
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: production d'hydrogène; bioconversion; glycérol brut; fermentation; déchets; économie
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 18 nov. 2015 20:42
Dernière modification: 17 mars 2016 18:03
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2807

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