Soutenance mémoire
Une certitude aujourd’hui est que la diversification de nos ressources énergétiques est plus que jamais nécessaire. Celle-ci a suscité la mise au point de nombreuses techniques dont la nouveauté consiste dans l’utilisation des énergies renouvelables, à des fins tant industrielles que domestiques.
Dans ce secteur de nombreuses recherches concernent le biogaz ou le biocarburant. Nous citons la digestion anaérobie du lisier de porc par H.A.RAZANAPARANY [1] et de l’utilisation de l’éthanol comme carburant dans un groupe électrogène à essence par S.VAVIZARA [2]. D’autres applications de la fermentation sont aussi développées pour la valorisation énergétique de déchets organiques [3] et le compostage [4] [5] [6].
SITE D’ETUDE
L’étude a été faite à Mangabe, un des quartiers constituant le Fokontany de Kianjasoa Antsimondapa. Il fait partie de la Commune Rurale d’Ambohibary-Sambaina. Il se trouve environ à six kilomètres au nord du chef lieu de Fokontany qui se situe au point kilométrique 18 (PK18) de la Route Nationale 43 (RN 43). La commune appartient à la circonscription administrative du District d’Antsirabe II, dans la Région du Vakinankaratra. La zone d’étude se range parmi les aires les plus reboisées de la commune. Ce qui permet d’avoir un certain nombre d’échantillons fermentescibles. Ainsi, il est primordial d’étudier la composition et les propriétés du bois.
COMPOSITION DU BOIS
L’utilisation du bois en fermentation nécessite la connaissance de sa composition. Ce sont la composition chimique élémentaire et la composition immédiate.
Composition chimique élémentaire
La composition chimique élémentaire des bois résulte de l’analyse brute des bois abattus en hiver dans les conditions normales.
En se référant aux ouvrages publiés par le site passion bois [7] on peut admettre les chiffres suivants qui représentent en poids une composition moyenne :
– 40% d’eau : il s’agit d’arbres récemment abattus non écorcés, en faisant intervenir non seulement le tronc du bois, mais aussi celles des branches.
– 1% de cendres : on fait brûler complètement le bois dans une flamme très chaude et l’on recueille le résidu solide formé uniquement de la partie non combustible.
– 59% de principes élémentaires sont constitués d’oxygène, d’hydrogène, d’azote, et de carbone.
L’eau
La connaissance de la teneur en eau du bois permet de gérer l’humidité du matériau durant la préparation du compost. L’eau forme en effet la majeure partie de la sève. Elle imbibe également les parois des cellules. La teneur en eau est variable selon l’espèce. Pour le sapin, elle atteint 45% et 39,7% pour le hêtre. Elle dépend aussi de la partie de l’arbre considérée, la saison d’abattage, la durée d’exposition à l’air libre, le débit. Elle augmente suivant l’appareil végétatif constitué par le tronc, la branche, les rameaux. L’aubier est plus riche en eau que le cœur. On trouve plus d’eau dans le bois au début de la végétation.
Les bois exposés à l’air libre se dessèchent lentement sans jamais se déshydrater complètement. Après une période dont la durée varie avec l’espèce et avec les conditions climatiques générales de la région, ces bois séchés à l’air conservent une teneur en eau de 15 à 20%. Cette humidité dite résiduelle ne peut être éliminée que par un étuvage poussé. La dessiccation du bois s’accompagne pour certaine espèce d’une variation considérable du poids. Ainsi, le sapin peut perdre jusqu’ à 520 Kilogrammes par mètre cube. Ce qui représente environ 105% du poids du bois sec.
Les cendres
L’analyse des cendres révèle l’existence de substances puisées dans le sol par la plante. Ce sont principalement le soufre, le phosphore, le chlore, le silicium, le potassium, le calcium, le magnésium, le fer, le sodium. D’autres éléments comme le zinc, l’aluminium, le bore n’apparaissent qu’exceptionnellement dans les bois. On peut considérer que l’élément non organique qui constitue les cendres est en majorité basique avec 48% de chaux, 13% de potasse et de soude, 9% au total d’oxydes tels que le magnésie, l’oxyde de fer, l’oxyde de manganèse .
Elle dépend aussi de la saison d’abattage. Si l’on opère en été, on trouve une forte proportion de potasse et d’acide phosphorique. Ces éléments favorisent certains organismes de fermentation. L’acide phosphorique et la potasse, en présence d’eau, et sous une température convenable, sont des aliments de premier ordre pour les moisissures.
Composition immédiate
La composition immédiate du bois est celle qui résulte de l’examen des substances constituant le contenu des cellules et celles qui forment les parois .
Le contenu des cellules
Dans le bois, beaucoup de cellules et tout particulièrement celles des parties âgées de l’arbre sont absolument vides. Par contre le parenchyme (de l’aubier des rayons médullaires) est souvent gorgé de sucs élaborés par le protoplasme qui remplit ses cellules encore vivantes. La composition du protoplasme en activité est essentiellement variable d’une plante à l’autre, aussi bien que d’un tissu à l’autre dans une même plante. Le protoplasme élabore à partir des carbones, oxygènes, hydrogènes et azotes des :
– Substances alimentaires, parfois immédiatement consommées par la plante, mais parfois mise en réserve. Ce sont les sucres et l’amidon qui sont les composants les plus fermentescibles.
– Déchets comme le tanin, les sels minéraux, les latex, les résines, les huiles et essences odorantes.
Propriétés physiques du bois
Densité
La densité du bois varie en fonction de la teneur en eau. Ce paramètre est essentiel pour pouvoir connaître la quantité d’eau nécessaire pour humidifier la masse à composter. Pour mesurer cette densité, il faut peser soigneusement un échantillon de volume connu et en établir le rapport. On note quelques densités :
• sapin : 0,4≤d ≤ 0,5
• pin divers : 0,5≤d ≤ 0,8
• bois fruitiers : 0,7≤d ≤ 0,8
• Mimosa : 0,7≤d ≤ 0,8
• palissandre divers (Brésil, Inde, Madagascar) : d >1.
FERMENTATION AEROBIE
Description du procédé
En se referant aux travaux de F.FRANCOU [4], B.JOELLE [11], J.P LARPENT et al [12], la fermentation aérobie s’effectue en présence de l’oxygène de l’air. Deux processus se succèdent. Le premier, est une fermentation aérobie intense. Il s’agit essentiellement de la décomposition des matières à fermenter à haute température (50-70°C) sous l’ action des bactéries ; le deuxième, par une fermentation moins soutenue qui se passe à température plus basse (30-45°C) appelé phase de maturation.
L’évolution de la température durant le premier phénomène s’effectue en trois phases :
a) la température monte rapidement à 40 ou 45°C suite à la respiration des microorganismes mésophiles aérobies. Les composés les plus fermentescibles tels le sucre et l’amidon sont d’abord consommés.
b) la respiration élève, alors progressivement la température jusqu’à 60 ou 70°C conduisant au remplacement des microorganismes mésophiles par des thermophiles et de thermo tolérants.
c) Par leur respiration, les microorganismes vont épuiser l’oxygène de la masse en fermentation et rendre le milieu anaérobie. Des germes anaérobies se développent alors, et conduit à un abaissement de la température, car leur métabolisme est moins thermogène. Ils sont les plus responsables des libérations des composés volatils nauséabondes. C’est ce que et A.M.MOINDZE [3] C.KUBIAK et al [13] ont aussi confirmé dans leurs travaux.
Les conditions aérobies peuvent être restaurées par aération du système. Et la non augmentation de la température après l’aération met fin à la fermentation intense [4] [14]. Dans les études effectuées par R.V.MISRA et al [9] rappelés par [14], le second processus est caractérisé par une diminution de la température qui se stabilise au niveau de la valeur ambiante. On assiste donc à la disparition des microorganismes thermophiles au profit d’espèces plus communes et de nouvelles espèces mésophiles.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PARTIE I : CONSIDERATION GENERALE
Chapitre I : Généralités
I.1 Site d’étude
I.2 Composition du bois
I.2.1 Composition chimique élémentaire
I.2.1.1 L’eau
I.2.1.2 Les cendres
I.2.1.3. Les principes élémentaires
I.2.2. Composition immédiate
I.2.2.1 Le contenu des cellules
I.2.3. Propriétés physiques du bois
I.2.3.1. Densité
I.2.3.2. Hydrométrie
I.3 Fermentation aérobie
I.3.1 Description du procédé
I.3.2 Influence de l’environnement
I.3.2.1 Conditions physiques
a) Aération
b) Humidité
c) Dimensions des particules
d) Température
I.3.2.2 Conditions chimiques
a) Carbone
b) Azote
I.3.2.3 Conditions biologiques
I.3.3 Mode d’aération
I.3.3.1 Aération passive et méthode chinoise
I.3.3.2 Brassage des matériaux
I.3.3.3 Aération active par soufflerie
I.3.4 Le volume
I.3.5 Evolution de la température
I.3.6 Cas d’un processus de la fermentation
Chapitre II : Notion mathématique élémentaire
II.1 Fonction de répartition
II.2 Densité de probabilité
II.3 Espérance mathématique
II.4 Moment
II.5 Quantile
II.6 Estimation des paramètres d’une population à partir d’un échantillon
II.7 Distribution normale ou loi de Gauss
II.7.1 Méthodologie d’ajustement d’un échantillon à une loi normale
II.7.2 Paramètres de la loi
II.7.3 Intervalle de confiance
II.8 Distribution des valeurs extrêmes ou loi de Gumbel
II.8.1 Méthodologie d’ajustement d’un échantillon à une loi de Gumbel
II.9 Correspondance entre F(X) et u
PARTIE II : EXPERIMENTATIONS ET RESULTATS
Chapitre III : Expérience préliminaire
III.1 Matériels utilisés
III.2 Mode Opératoire
III.3 Résultats
III.3.1 Procédé n° 1 : Pour une longueur de 2,20m
III.3.2 Procédé n°2 : Augmentation de la longueur du tuyau
III.3.3 Procédé n° 3 : Ajout d’une tuyère
III.3.4 Procédé n° 4 : Rallongement du tuyau
III. 4 Courbes de température
III. 5 Interprétation
Chapitre IV : Variation de la température
IV.1.Mode opératoire
Précaution
IV.1.1.Installation
IV.1.2.Compostage
IV.1.3.Manipulation
IV.1.3.1 Mesure de la température
IV.1.3.2 Mesure du débit
IV.2 Evolution de la température
IV.2.1 Matériaux pré compostés
IV.2.1.1 Copeaux de pin
IV.2.1.2 Humus
IV.2.1.3 Fumier de bovin
IV.2.2 Matériaux primaires
IV.3 Conclusion
PARTIE III : TRAITEMENT DES RESULTATS
Chapitre V : Etude de la variation de la température
V.1 Etude de la température des matériaux pré compostés
V.1.1. Copeau de pin
V.1.2. Humus
V.1.3 Fumier de bovin
V.2 Allure de la courbe de température
V.3 Matériaux primaires
V.4 Courbe de température des morceaux de bois
V.5 Evolution de la température en fonction du débit
V.6 Allure des courbes de la température TF en fonction du débit
V.7 Interprétation
V.8 Discussion
V.8.1 Variation de la température
III.8.2 Matière première à fermenter
III.8.3 Utilisation de matière organique après compostage
Chapitre VI : Etude statistique de la température
VI.1 Etude statistique de la température
VI.1.1 Température moyenne journalière
VI.1.1.1 Fréquence de non-dépassement
VI.1.1.2 Essai d’ajustement à une loi statistique
VI.1.1.3 Test d’ajustement de la loi avec l’intervalle de confiance sur les observations
VI.1.2 Température maximale
VI.1.2.1 Fréquence de non dépassement
VI.1.2.2 Essai d’ajustement
VI.1.2.3 Test d’ajustement de la loi avec l’intervalle de confiance sur les observations
VI.1.3 Température minimale
VI.1.3.1 Fréquence de non dépassement
VI.1.3.2 Essai d’ajustement
VI.1.3.3 Test d’ajustement de la loi avec l’intervalle de confiance sur les observations
VI.2 Prévision
VI.3 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
