TECHNIQUE
Aquarama 85 – septembre 2019
Des eaux usées à l’alimentation
Ne parlez pas de déchets mais de matières premières. Cela vaut aussi pour les eaux usées provenant de l’industrie alimentaire. Les bioingénieurs de l’Université d’Anvers (UAntwerpen) veulent les utiliser, après une étape intermédiaire, pour cultiver des bactéries comme source de protéines pour l’alimentation animale.
Entre le champ et l’assiette, il se perd beaucoup de nourriture. Les eaux usées provenant de l’industrie alimentaire contiennent encore beaucoup d’éléments précieux, tels que l’azote et le phosphore. Il y a sans doute moyen de les utiliser pour cultiver des bactéries qui formeront une biomasse pouvant servir d’ingrédient pour l’alimentation animale.
Installation en deux étapes
Un obstacle à la fabrication d’aliments pour animaux à partir d’eau usée est que cette eau contient de nombreuses substances organiques complexes telles que des polysaccharides, des protéines, des acides gras, des sucres, de l’ADN et des structures polyphénoliques, et que leurs quantités fluctuent également de manière continue. Les bioingénieurs de l’Université d’Anvers y voient une solution grâce à une installation en deux étapes. La première convertit les substances organiques complexes de façon anaérobie (sans oxygène) en acides gras volatils facilement absorbables. Dans la seconde, les acides gras sont livrés à des bactéries qui s’en repaissent et forment à la longue une biomasse riche en protéines. À cet égard, les bactéries pourpres non soufrées offrent beaucoup de potentiel. Les chercheurs anversois examinent la manière dont elles ingèrent des acides gras volatils fabriqués à partir d’eaux usées de brasserie.
Technique
L’un des doctorants à l’UAntwerpen est Abbas Alloul, ingénieur. Il nous explique comment un tel système en deux étapes pourrait être réalisé en pratique. « La première étape est une simple fermentation. Pour cela, vous pouvez utiliser un réacteur UASB (Up-flow Anaerobic Sludge Blanket/ Nappe de boues anaérobies à flux ascensionnel) ou un réservoir d’acidification, souvent déjà présent. Aujourd’hui, les eaux usées de brasserie sont laissées à fermenter, ce qui produit du méthane qui est ensuite brûlé en torchère ou utilisé pour produire de l’énergie. Nous optons pour une alternative plus ‘circulaire’ : il est préférable d’arrêter la production de méthane avant de passer aux acides gras et à la culture de bactéries pourpres. Ces dernières aiment les acides gras et peuvent y croître de façon très sélective. »
« Tous les types d’eaux usées de l’industrie alimentaire peuvent être utilisés à condition de ne pas être contaminés par des matières fécales et avoir une DCO (demande chimique en oxygène) élevée. »
Après cette première étape, on passe à la seconde : un photobioréacteur contenant des bactéries pourpres. Dans une phase de recherche antérieure, Abbas Alloul avait utilisé pour cela un dispositif tubulaire : un réseau de tubes PVC transparents, également utilisé pour cultiver des algues, au soleil.
Rhodobacter capsulatus
Le bioingénieur a découvert qu’un mélange d’acides gras, d’acétate, de propionate et de butyrate permettait aux bactéries pourpres de mieux se développer : 1,3 à 2,5 fois plus vite qu’avec un seul acide gras particulier. C’est une bonne nouvelle, car les acides gras issus des eaux usées de l’industrie alimentaire se présenteront probablement aussi sous forme de mélange. Grâce à cette étape intermédiaire, les bactéries pourpres ont même réussi à convertir en biomasse presque toute la DCO, c.-à-d. la charge en polluants des eaux usées.
Parmi les six types de bactéries pourpres sur lesquelles il a effectué des recherches, Rhodobacter capsulatus s’est avéré le plus rapide en croissance. Il a également constaté que les bactéries pourpres pouvaient supporter une courte durée de séjour remarquable dans les boues, pouvant aller jusqu’à cinq heures. Cela a eu pour effet de réduire la concentration de biomasse microbienne dans le réacteur lui-même, mais a augmenté la production totale de biomasse par le système. Dans le photobioréacteur, Rhodobacter capsulatus a produit 1,7 gramme de poids de matière sèche par litre et par jour.
Du réacteur tubulaire au bassin « champ de course »
Puis Abbas Alloul s’est penché sur le coût financier, pour une charge de 2 427 kg de DCO par jour, avec un système tubulaire en tant que photobioréacteur. Cette étude a montré qu’une durée de séjour dans les boues d’une demi-journée engendrait les coûts de production les plus bas : 10 euros par kilo de matière sèche (à parts égales pour les dépenses d’investissement et d’exploitation). « Mais les dépenses d’investissement et d’énergie pour un système tubulaire sont élevées », déclare-t-il. « C’est pourquoi, en attendant, nous travaillons avec un réacteur ‘champ de course’, une sorte d’étang avec une circulation continue. Le coût d’investissement d’un réacteur ‘champ de course’ est environ cent fois inférieur, et le coût énergétique 600 fois inférieur. Les conditions pour les bactéries pourpres y sont moins idéales que dans un système tubulaire. Nous recherchons dès lors différentes manières d’optimiser la sélectivité et la productivité des bactéries pourpres. »
Les chercheurs en ont déjà découvert quelques-unes : entre autres, un volume plus élevé du ratio de surface et le fait de ne pas brasser la nuit, permet d’augmenter la concentration de bactéries pourpres.
« À la brasserie trappiste La Trappe, nous allons épurer entre cent et cent cinquante litres par jour et produire conjointement des protéines. »
Eaux usées de brasserie
« Tous les types d’eaux usées de l’industrie alimentaire peuvent être utilisés à condition de ne pas être contaminés par des matières fécales et avoir une DCO (demande chimique en oxygène) élevée, » poursuit le doctorant. Mais en ce moment, il utilise des eaux usées de brasserie. Il récolte la masse riche en protéines produite grâce aux bactéries pourpres présentes dans le réacteur « champ de course », à l’aide d’un réservoir de post-décantation. Cette masse passe ensuite dans une centrifugeuse et un atomiseur, après quoi il reste un produit sec riche en protéines. « Avec cela, vous pouvez, par exemple, remplacer une partie des aliments pour crevettes ou poissons d’ornement. Aujourd’hui ils sont constitués de farine de poisson. La masse de protéines pourrait également avoir des propriétés probiotiques. Et vous pouvez l’utiliser pour les plantes, comme engrais libérant lentement ses nutriments. »
Et le prix ? Abbas Alloul : « Les protéines conventionnelles telles que la farine de poisson sont vendues entre un et deux euros le kg de matière sèche. Avec un réacteur ‘champ de course’, nous arrivons maintenant à un prix de matière sèche de cinq à six euros du kilo. C’est encore trop élevé pour permettre une concurrence, mais c’est tout de même une réduction par deux comparé au prix avec un système tubulaire. Et entre-temps nous continuons à travailler à l’optimisation de la technologie. »
Cet été, ses collègues et lui ont installé un pilote du concept aux Pays-Bas à la brasserie trappiste La Trappe. « Nous allons y épurer jusqu’à 150 litres par jour. Notre intention n’est toutefois pas uniquement d’épurer de l’eau, il existe pour cela de meilleures techniques. L’essentiel pour notre recherche c’est de purifier l’eau et de fabriquer en outre un produit, dans le cas présent des protéines, qui présentent une valeur ajoutée. Aujourd’hui, notre chaîne alimentaire est extrêmement inefficace. Il y a énormément de pertes. Nous voulons récupérer des nutriments dans les eaux usées et les réintroduire dans la chaîne alimentaire, de manière à générer un système cyclique. »
Par Koen Vandepopuliere
Photos Abbas Alloul
