La vinasse est le sous-produit le plus important de la production d'éthanol en termes de volume. Pour chaque litre d'éthanol produit, 8 à 18 litres de vinasse sont produits. La vinasse est le résidu de la distillation du moût de canne à sucre fermenté et se compose d'un liquide à forte charge organique.

Ce sous-produit est couramment utilisé dans la fertigation de la canne à sucre dans les régions productrices, afin de restituer au sol une partie des nutriments et de l'eau utilisés dans le processus de production. Bien que la pratique de la fertigation apporte plusieurs avantages, le non-respect de certaines réglementations a déjà montré que l'abus ou la mauvaise gestion de la fertigation peut causer des dommages environnementaux difficiles à traiter, tels que la salinisation des sols et la contamination des eaux souterraines par les constituants de la vinasse.

L'une des voies utilisées dans la gestion des vinasses est la digestion anaérobie, qui est un procédé de traitement biologique des déchets largement utilisé pour d'autres déchets. Cependant, le traitement de la vinasse par digestion anaérobie présente de nombreux défis, tels que les grands volumes produits et la charge organique élevée de la vinasse (environ 100 fois supérieure à celle des eaux usées domestiques), en plus du procédé qui ne peut pas éliminer la salinité de ce résidu.

Un autre problème est la contre-saison de la canne à sucre, entraînant une interruption du processus de production de la vinasse pendant environ trois mois, constituant un grave problème opérationnel, car la digestion anaérobie est un processus biologique qui prend beaucoup de temps pour s'établir dans une écurie et manière efficace.

Le processus de digestion anaérobie a été développé à l'origine pour atténuer les impacts environnementaux résultant de la libération de déchets à forte charge organique et nutritive. L'application du procédé dans le traitement de la vinasse est adéquate, malgré les défis présentés. Le processus de digestion anaérobie transforme la matière organique en biogaz, qui est un mélange de méthane et de dioxyde de carbone, en plus d'autres gaz en plus petites quantités. Dans le paradigme de la gestion des déchets, le biogaz est un problème car le méthane est un contributeur majeur au réchauffement climatique, étant un gaz à effet de serre 80 fois plus puissant que le dioxyde de carbone.

Ce paradigme de gestion des déchets visant exclusivement à atténuer les impacts environnementaux devient obsolète. Les unités de traitement étaient généralement surdimensionnées et mal exploitées, à un coût élevé pour les unités de production. Ainsi, la nécessité de concilier viabilité économique et viabilité environnementale devient plus claire, dans le cadre d'un concept plus large de durabilité des procédés.

Dans ce nouveau paradigme, il faut des processus qui non seulement traitent adéquatement les problèmes environnementaux, mais transforment également les déchets obtenus en un produit à valeur ajoutée. Dans ce contexte, la production de biogaz est une opportunité pour la production d'énergie, mais cette application est déjà largement répandue.

De nombreuses industries utilisent des procédés de digestion anaérobie associés à des procédés de purification de biogaz, afin de produire du biométhane (ou gaz naturel renouvelable, contenant au moins 90% de méthane). Malgré cela, bon nombre de ces industries qui produisent du biogaz à des fins énergétiques utilisent encore des équipements coûteux et surdimensionnés, en plus de contrôles opérationnels complètement obsolètes.

Considérant ce scénario, notre groupe de recherche propose une plus grande avancée vers la valorisation de la vinasse comme matière première pour la production de biogaz, augmentant le potentiel énergétique du biogaz produit par la digestion de la vinasse. À cette fin, nous étudions des modifications du processus de digestion anaérobie pour produire un biogaz enrichi en hydrogène, appelé bio-hitane.

L'hythane est un gaz combustible constitué d'un mélange de 80% de gaz naturel et de 20% d'hydrogène. Le nom de ce carburant vient de l'anglais et s'est imposé comme une alternative au gaz naturel, avec le même potentiel énergétique que le gaz naturel, mais avec une plus grande inflammabilité et des émissions de polluants moindres.

Comme l'hythane est à l'origine un gaz produit en mélangeant du gaz naturel avec de l'hydrogène provenant d'autres sources, le nom de bio-hithane a été adopté pour le mélange de biométhane et d'hydrogène obtenu par le procédé de digestion anaérobie. Le processus de digestion anaérobie se produit naturellement dans les masses d'eau des couches profondes, où l'oxygène dissous est rare, étant responsable de la production de gaz des marais (également connu sous le nom de feu follet, qui a donné naissance à la légende du boitata).

La digestion anaérobie consiste en une série de réactions biochimiques complexes réalisées par de nombreuses communautés microbiennes anaérobies et facultatives, qui présentent une relation écologique synergique. Malgré la complexité du processus, il est possible d'identifier les étapes de conversion de la matière organique complexe en molécules plus simples.

En général, le processus commence par l'hydrolyse de matières organiques complexes qui décomposent les protéines, les graisses et les glucides en molécules plus simples, telles que les acides aminés, les acides gras et les saccharides. Les molécules produites lors de l'étape d'hydrolyse sont ensuite transformées en acides gras de bas poids moléculaire (acides volatils), constitués de 6 à 2 carbones. Cette étape est appelée acidogénèse.

Ces acides volatils sont à leur tour convertis en acétate dans l'étape suivante appelée acétogénèse. Enfin, cet acétate est converti en méthane lors de la dernière étape appelée méthanogenèse. À toutes les étapes de ce processus, du dioxyde de carbone et de l'hydrogène sont également produits. Cependant, une partie de ce dioxyde de carbone et la quasi-totalité de l'hydrogène sont consommés par des micro-organismes pour produire à la fois de l'acétate et du méthane, par des micro-organismes qui consomment du dioxyde de carbone, plutôt que de la matière organique complexe, pour se développer.

Le processus biologique de production d'hydrogène est appelé fermentation noire et est obtenu à partir de l'inhibition des processus biochimiques et de la sélection de micro-organismes qui consomment de l'hydrogène dans le processus de digestion anaérobie. Comme la plupart des organismes consommateurs d'hydrogène sont des producteurs d'acétate et de méthane, l'axe principal des recherches est le développement d'un procédé acidogène pour la production d'hydrogène.

Un autre produit des processus acidogènes sont également des acides volatils, et ils peuvent être convertis en méthane dans un processus en aval du processus acidogène. Ainsi, nos recherches ont deux axes majeurs: sélectionner des microorganismes capables de produire de l'hydrogène de manière stable et efficace; et de développer un procédé de production en deux phases pour la production de méthane et d'hydrogène. Il reste encore de nombreux défis à relever, mais une fois ces problèmes surmontés, un nouveau type de biocarburant composera la matrice énergétique du futur : durable et économe en énergie.