Soutenance mémoire
Un système naturel complexe
Les bactéries méthanogènes sont présentes dans de nombreux écosystèmes naturels comme les fosses septiques, les marais et tourbières, en bien encore la toundra arctique, et même les appareils digestifs des ruminants (le rumen) ou des humains.
La fermentation méthanogène peut servir à traiter des rejets organiques, des eaux usées, ou encore des lisiers, des ordures ménagères…Plus de 140 espèces bactériennes [Godon et al., 1997] sont impliquées dans ce procédé pour dégrader la matière organique en biogaz. Les bactéries représentent une grande part de la flore microbienne anaérobie, mais d’autres organismes comme des protozoaires, des champignons ou des levures peuvent intervenir [Gaval et al., 2002]. Ce processus est tout particulièrement intéressant en raison du biométhane produit, qui est un gaz énergétique valorisable.
Figure I-1 : Schéma de la chaîne trophique des étapes de la fermentation [Sinechal et al.1979].
Les progrès en microbiologie ont permis d’étendre les connaissances sur le déroulement de la fermentation méthanogène, et la description du processus s’est compliquée au fur et à mesure. Andrews (1968) choisit de représenter la fermentation méthanogène uniquement par l’étape finale de méthanogénèse (voir figure I-1). Un peu plus tard Graef et Andrews (1973) inclurent également l’étape d’acidogénèse dans leur description macroscopique de la fermentation. D’autres auteurs, Hill et Barth (1977) Boone et Bryant (1980) ont choisi d’ajouter une étape initiale d’hydrolyse dans leur description et obtinrent un processus en trois étapes. La prise en compte de compétitions entre espèces bactériennes pour l’utilisation des différents substrats conduit à considérer des schémas réactionnels plus complexes, par exemple avec neuf mécanismes réactionnels [Hall et al., 1992 ; Kalyuzhnyi et al., 1998].
On considère souvent un niveau de description à quatre étapes principales (figure I-1), impliquant quatre groupes de microorganismes spécifiques, où les composés intermédiaires des premières étapes servent de substrats pour les étapes suivantes
[Sinechal et al., 1979 ; Mosey, 1983] :
1. hydrolyse,
2. acidogénèse,
3. acétogénèse,
4. méthanogénèse.
Ces quatre étapes principales sont présentées et détaillées dans la suite de ce chapitre.
Microbiologie de la digestion anaérobie
Hydrolyse
Au cours de l’étape d’hydrolyse, les macromolécules complexes sont solubilisées sous l’action d’enzymes extracellulaires excrétées par des bactéries anaérobies strictes (Clostridium pour la dégradation de cellulose, amidon) ou facultatives aérotolérantes (Bacillus pour la dégradation de protéines). Les composés particulaires sont scindés en monomères (ou dimères) de taille suffisamment petite pour pouvoir être transportés au travers de la membrane cellulaire. Une fois dans la cellule ces molécules simples pourront être utilisées comme source d’énergie pour le métabolisme [Zeikus, 1980 ; Parawira et al., 2005].
Lorsque l’on s’intéresse à la méthanisation de déchets complexes contenant des fractions solides, par exemple de la cellulose [Siegert et Banks, 2005], l’hydrolyse devrait être considérée comme l’étape cinétiquement limitante [McCarty et Mosey, 1991 ; Veeken et al., 2000]. On peut schématiser les réactions d’hydrolyse enzymatique comme suit, en considérant la dégradation de cellulose en glucose, où les enzymes joueraient le rôle
de catalyseur [Illinois State Water Survey Division, 1939] : (C6H10O5)n + nH20 nC6H12O6 (I.2)
Acidogénèse
Dans une seconde étape, les monomères issus de l’hydrolyse, ainsi que les composés dissous, servent de substrats à des microorganismes fermentaires qui les dégradent principalement en acides de faibles poids moléculaires comme les acides gras volatils [AGV] tels que propionate, butyrate,valérate, mais également en pyruvate, lactate, ou en alcools tels que le méthanol, l’éthanol,…[Mosey, 1983 ; McCarty et Mosey, 1991]. L’éthanol et le lactate qui sont produits par des voies métaboliques moins intéressantes énergétiquement ne sont généralement pas synthétisés à l’équilibre [Dinopoulou et al., 1987]. Du gaz carbonique et du dihydrogène sont également produits au cours de ces réactions.
Les microorganismes réalisant cette étape peuvent aussi bien être anaérobies facultatifs (du genre Acetobacter ou Streptococcus) que strictement anaérobies (Clostridium). Leur taux de croissance très élevé, de l’ordre de 48 jours-1 [Mosey, 1983], est responsable, dans le cas d’une surcharge organique, de l’accumulation de composés intermédiaires comme l’acétate ou l’hydrogène, qui peuvent inhiber les flores acétogènes et méthanogènes.
En considérant le glucose comme substrat de référence on représente l’acidogénèse par les équations du tableau I-1.
Tableau I-1 Produits de la dégradation du glucose.
D’après l’IWA Task Group for Mathematical Modelling of Anaerobic Digestion Processes (2002), la réaction I.3 ne serait jamais observée et il faudrait à la place considérer la production couplée de propionate et d’acétate selon la réaction (I.7).
3 4 + 2 + 2 + 2 (I. 7
Acétogénèse
Les produits de l’hydrolyse et de l’acidogénèse (acides, sucres, alcools,…) sont réduits en acétate, hydrogène et dioxyde de carbone par un groupe hétérogène de trois populations bactériennes :
–les acétogènes syntrophes productrices d’hydrogène ; Syntrophomonas, wolfei, Syntrophobacter, …
–les bactéries acétogènes non-syntrophes parmi lesquelles on distingue :
• les bactéries fermentatives acétogènes ; Selomonas, Clostridium,
• les acétogènes hydrogénotrophes ou homoacétogènes ; Acetogenium,
Acetobacterium, Clostridium…
Acétogénèse productrice d’hydrogène
Cette phase fait appel à un groupe de bactéries dites OHPA (Obligate Hydrogen Producing Acetogens), qui produisent de l’acétate et de l’hydrogène à partir d’acides. Ces organismes furent initialement mis en évidence par Stadtman et Barker (1951), qui, au moyen de cultures pures, découvrirent deux bactéries méthanogènes dégradant les acides gras volatils par oxydation, qu’ils nommèrent Methanobacterium propionicum et Methanobacterium suboxydans. Le tableau I-2 représente certaines réactions de dégradation possibles.
Tableau I-2 Réactions d’acétogénèse avec production de dihydrogène et de formate.
Acétogénèse non-syntrophes
Le terme homoacétogène s’applique aux bactéries strictement anaérobies qui produisent majoritairement de l’acétate, et peuvent également utiliser le CO2 (équation I.16) comme accepteur final d’électron. Ces organismes non-syntrophes sont capables de croître aussi bien de façon autotrophe (bactéries lithotrophes), qu’hétérotrophe ou mixotrophe. On trouve ce type de microorganismes essentiellement dans les milieux à forte concentration en CO2.
Reaction homoacétogénèse lithotrophe + 2 (I.14
– Homoacétogénèse fermentative.
Méthanogénèse
La méthanogénèse constitue l’étape de réduction finale du processus de méthanisation. Elle est considérée comme l’étape limitante dans le processus de dégradation des composés dissous [Kaspar etWuhrmann, 1978]. La méthanogénèse est réalisée par une classe spécifique de bactéries anaérobies strictes, les Archae, qui peuvent utiliser divers substrats comme l’acétate, le dioxyde de carbone et l’hydrogène, ou encore, pour certaines espèces, le méthanol, les méthylamines ou le formate [Braun, 2007]. Au sein de cette classe on distingue deux familles responsables de la synthèse de méthane :
– les méthanogènes acétoclastes, également appelés acétotrophes,
– les méthanogènes hydrogénophiles, ou hydrogénotrophes.
Bactéries méthanogènes acétoclastes
Ces organismes peuvent produire du méthane à partir de nombreux substrats comportant un groupement méthyle comme l’acétate, le méthanol mais également des (n)-méthylamines [Hippe et al., 1979 ; Nishio et al., 1984]. Methanosarcina sp. et Methanotrix sp. sont les espèces bactériennes connues capables de dégrader l’acétate [Zinder et Elias, 1985].
Le processus de dégradation de l’acétate contribue à lui seul à environ 70% du méthane produit [Smith et Mah, 1966] ; plus particulièrement Stadtman et Barker (1951) ont montré que le méthane provenait du groupement méthyle de l’acétate, du méthanol ou des méthylamines, et que ce groupement était transféré en bloc, selon les schémas réactionnels suivant :
CH3COOH CH4 + CO2 (I.17)
4CH3COH 3CH4 + CO2 + 2H2O (I.18)
L’utilisation de l’un ou l’autre de ces substrats est avant tout contrôlée par la disponibilité et la concentration de ceux-ci ; en effet la croissance sur l’acétate n’est possible qu’au dessus d’une concentration seuil, différente pour chaque espèce.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : La digestion anaérobie : généralités
1. Introduction
1.1. La découverte de la fermentation et du biogaz
1.2. Un système naturel et complexe
2. Microbiologie de la digestion anaérobie
2.1. Hydrolyse
2.2. Acidogénèse
2.3. Acétogénèse
2.4. Méthanogénèse
3. Physico-chimie de la digestion anaérobie
3.1. Température
3.2. pH et alcalinité
3.3. Les nutriments
4. Les procédés de la digestion anaérobie
4.1. Généralités
4.1.1. Avantages et inconvénients
4.1.2. Choix et dimensionnement du digesteur
4.2. Mode d’alimentation des réacteurs
4.3. Solutions technologiques
4.3.1. Digesteurs à cellule libre
4.3.2. Digesteurs à biofilm et à granules
4.3.3. Réacteur à support mobile
4.3.4. Réacteurs à deux étages
5. Caractéristiques du biogaz
Chapitre II : Modélisation des procédés de digestion
Anaérobie
1. Modélisation des bioprocédés
1.1. Introduction
1.2. Modélisation de la digestion anaérobie
1.2.1. Modèle cinétique enzymatique
1.2.2. Du chemostat au méthaniseur
2. Modèles ADM1
2.1. Structure du modèle
2.2. Choix de modélisation
3. Le modèle AM2
Chapitre III : Le modèle AM2
1. Dispositif expérimental
1.1. Le réacteur
1.2. L’effluent
1.3. Moyens de mesure
2. Hypothèses et description du modèle
2.1. Réactions biologiques
2.2. Processus physico-chimique
3. Propriétés hydrodynamiques du réacteur
4. Modélisation par bilan de matière
5. Structure du modèle
6. Détermination et stabilité des états d’équilibre
7. Valeurs des débits gazeux
Chapitre IV : Identification des paramètres
1. Procédure d’identification des paramètres cinétiques
2. Procédure d’identification du coefficient KLa
3. Procédure d’identification des coefficients de rendement
Chapitre V : Résultats et discussions
1. Résultats expérimentaux et simulés du pH
2. Alcalinité et carbone inorganique
3. Concentration de la DCO et des AGVs
4. Débits gazeux
5. Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Annexes
Bibliographie
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