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1
Valorisation de la biomasse par
fermentation :
biométhanisation et biohydrogène
Comment tirer profit des déchets organiques
S. HILIGSMANN, Ph. THONART
Centre Wallon de Biologie Industrielle
1 ULB-Microbiologie Appliquée -- MA1 Bio-ingénieurs
12 mai 2015
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Le Centre Wallon de Biologie Industrielle
Centre de recherche et développement en
microbiologie et biochimie industrielle.
Le CWBI étudie
- la biochimie des microorganismes
- la production de biomasse
- la production de métabolites
- le conditionnement des starters
ou des produits finis
pour des applications diverses
dans les secteurs agro-alimentaire,
pharmaceutique, agriculture,
environnement
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Le Centre Wallon de Biologie Industrielle
Application des biotechnologies au domaine de l’environnement
• Bioremédiation
- traitement des sols contaminés (PCB, HC, ...)
- bioconversion du gypse (sous-produit industriel)
- traitement des biomasses (compost, effluents d’élevage,…)
- traitement des eaux usées (fosses septiques,…)
• Valorisation énergétique des biomasses
- biométhanisation, bioéthanol
- production de biohydrogène (dark fermentation)
• Etude des décharges et centres d'enfouissement technique (CET)
- activité biologique, impact environnemental, potentiel de
méthanisation et optimalisation
- développement de modèles d’évolution
- mise au point de bioréacteurs pilotes
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- grande « biodiversité » de processus
- spécificité des réactions pour le substrat et le
produit
- processus peu énergivores
- conservation de l’énergie. Le rendement
énergétique est proche de 95%
Les avantages de la biotechnologie
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Matière biodégradable = matière organique
•Nombreuses origines : ménages, industries, agriculture, ...
•Nature diverse :
- solide/semi-solide : déchets, sous-produits, invendus, ...
- déchets liquides : eaux usées, produits non conformes, ...
•Composition variable : selon l'origine, dans le temps, ...
•Production variable : selon l'origine, dans le temps, ...
La variabilité des biomasses valorisables
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6
•Déchets des ménages et collectivités :
mélange non maîtrisable, contaminants (emballages, verres, métaux, …),
toxiques/métaux lourds (encres, piles, couleurs, …)
•Invendus/déchets agroalimentaires des commerces :
mélange davantage maîtrisable, emballages, métaux lourds (encres)
•Déchets des marchés :
mélange maîtrisable, peu de contaminants et métaux lourds (encres)
•Déchets/sous-produits agroalimentaires :
composition stable, quantités parfois importantes
peu de contaminants et métaux lourds (encres)
•Déchets agricoles/verts et productions énergétiques :
composition stable, peu de contaminants et métaux lourds (encres)
La variabilité des déchets organiques solides
Inté
rêt
(re
nta
bili
té, co
ût, …
)
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7
•Eaux usées des ménages et collectivités :
mélange non maîtrisable, charge stable, contaminants toxiques/bio-
non compatibles (produits d'entretien, pharmaceutiques, …)
•Eaux usées/de process des industries agroalimentaires :
mélange relativement maîtrisable, charge stable, contaminants
(détergents, …)
•Produits déclassés et sous-produits agroalimentaires :
composition stable, charge élevée et quantités parfois importantes,
contaminants potentiels (microorganismes)
•Lisiers agricoles :
composition stable (azote), peu de contaminants
La variabilité des déchets organiques liquides
Inté
rêt
(re
nta
bili
té, co
ût, …
)
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- Valorisation de la matière : "le bon sens"
- Bioraffinerie (potentialité de transformation) :
Ex. : glycérol en matière grasse, amidon en précurseurs de
matières plastiques biodégradables, …
Les applications biotechnologiques pour
valoriser des biomasses
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hémicelluloses
+ autres C6 et C5
+ mat. hemicellulosiques
+ autres
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- Valorisation de la matière : "le bon sens"
- Biofaçonnement (potentialité de transformation) :
Ex. : glycérol en matière grasse, précurseurs de
matières plastiques biodégradables, …
- Énergétiques :
• (bio)éthanol,
• CH4,
• H2,
• Électricité (microbial fuel cells)
Les applications biotechnologiques pour
valoriser des biomasses
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Intérêt socio-économique
Valorisation des déchets
Source d'énergie renouvelable
Assurer un certain niveau d'indépendance énergétique 11
Biomasse p.ex. 3 kg de sucre
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Bioéthanol versus biométhane = Golliath versus David
1 Mio t/an de biomasse
(froment, maïs, betterave, …)
300 000 m³ éthanol/an = 5500 MWh/j
150 – 300 Mios € invest.
Biométhanisation 1MWe
(taille intermédiaire 0,1 - 3 MWe)
50 000 t/an de biomasse
(fumier, déchets d’abattoires, maïs,
énergétique, lisiers, …)
2 Mios m³ CH4/an = 60 MWh/j
5 Mios € invest.
Cuves de 4000 m³
Carbohydrates, surtout
les C6 , un peu les C5
Toute Matière
Organique
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13
Plan de l'exposé
1. Variabilité des déchets biodégradables et généralités sur les
processus de biodégradation
2. Technologies de biométhanisation – maîtrise des paramètres
3. Biométhanisation en phase solide : CET – biométhaniseur
4. Biométhanisation en phase liquide : exemples, coûts
5. Perspectives : digestion anaérobie en 2 étages H2 + CH4
6. Conclusions
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• anaérobie : - relativement lente (plusieurs jours à dizaines de jours) - conditions de mise en œuvre parfois très exigeantes - Exemples : fermentation alcoolique, biométhanisation, …
C6H12O6 → 3 CO2 + 3 CH4
1kg → 374 374 Litres = 3,7 kWh total
• souches particulières,
• conditions physico-chimiques contrôlées,
• …
Chaleur
Electricité
• aérobie : - relativement rapide (quelques heures à quelques jours),
- conditions de mise en œuvre peu exigeantes
- Exemples : épuration aérobie, compostage, …
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
1kg + 1,1 kg = 0,5 kWh électrique consommé dans step
Les possibilités de biodégradation
de la matière organique
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TECHNOLOGIE DES TURBINES D'AERATION
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16
Les phénomènes de biodégradation de la matière organique
MATIERE ORGANIQUE
COMPLEXE
COMPOSES ORGANIQUES SOLUBLES
ACIDES GRAS VOLATILS
ALCOOLS
Hydrolyse
Acidogenèse sucres, acides gras, acides aminés
Sulfates
(SO 4 )
Acétogenèse
acide acétique
CH 4
CO 2
CO 2 , H 2
H 2 S
Sulfato -
réduction Desulfovibrio,
Desulfotomaculum,
Desulfobacter, …
Méthanogenèse
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Genre : Methano- sarcina
bacterium
coccus
…
Archéobactéries
Rôle important lors de l'apparition de la vie sur terre
Famille microbienne telle que les bactéries sulfato-réductrices,
bactéries nitrifiantes, ...
Anaerobiose stricte : rH < - 400 mV
Conditions de culture basiques : 6.8 < pH optimum < 8.5
Les Archaebactéries méthanogènes
Mésophiles 25 – 40 °C; Thermophiles 40 – 65 °C
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Substrats énergétiques simples et en nombre limité
Hydrogène + CO2 ; Acetate; Methanol; Formiate; Methylated amine
4H2 + CO2 CH4 + 2H2O
1 acetate + H2O CH4 + carbonate
4 methanol + CO2 3CH4 + CO2 + 2H2O
Les Archaebactéries méthanogènes
Methanobrevisbacter,
Methanobacterium, …
Methanosarcina,
Methanococcus,
Methanosaeta, …
{
{
18
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Plan de l'exposé
1. Variabilité des déchets méthanisables et généralités sur les
processus de biodégradation
2. Technologies de biométhanisation – maîtrise des paramètres
3. Biométhanisation en phase solide : CET – biométhaniseur
4. Biométhanisation en phase liquide : exemples, coûts
5. Perspectives : digestion anaérobie en 2 étages H2 + CH4
6. Conclusions
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• procédés
• en phase liquide : < 15% MS (teneur en matière sèche)
• en phase sèche : 20 - 50 % MS
• en bioréacteur 10 - 10 000 m³
• en CET (centre d'enfouissement technique) Millions m³
• procédés
• mésophiles : 30 – 40°C
• thermophiles : 50 – 60°C
• importance de la biomasse : 1MWhe / tonne DCO
20 20
La méthanisation : technologie au point
+ cogénération 10 kWe – 2 MWe
250 kg – 48 t DCO/j
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21
La biométhanisation de la matière organique
Critères Bioréacteur Décharge
Matières premières - substrat établi comme optimum par rapport
au micro-organisme donné
- substrat très variable
Micro-organisme
- micro-organisme choisi en fonction de la
production
- le milieu est déterminé en fonction du
micro-organisme
- population microbienne
complexe déterminée par la nature
du milieu
Paramètres
(pH, t°, aération)
- régulés
- évolution naturelle
rem : pas d'aération ni d'agitation
Produits finaux - biomasse + milieu + produit - biomasse + lixiviats + biogaz
EAU
DECHETS
BIOGAZ (CO2, CH4,...)
LIXIVIATS MICROORGANISMES
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22
Les paramètres physico-chimiques à contrôler
pour permettre la méthanogenèse
Méthanogenèse
Température Méso-, thermophile
Nutriments Azote : C/N : 20-40
Sulfates
Inhibiteurs Métaux lourds, solvants, ...
H2 + CO2
ou Acetate Oxygène
Humidité Minimum 20%
pH Neutre-basique
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-11-
Evolution de la composition du biogaz et du milieu liquide
Biométhanisation à partir de glucose : substrat facilement biodégradable
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-8-
Ces paramètres permettent de vérifier les conditions et le bon
fonctionnement de la méthanogenèse à la suite de l'acidogenèse
Ajout de NaOH
Rédox pH
Influence du pH et du potentiel d'oxydo-réduction (redox)
Chute de pH liée à la
biodégradation acidogène
du substrat (glucose)
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0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 20 40 60 80 100
Temps (h)
Co
ncen
trati
on
en
m
on
osacch
ari
des
(m
g/g
d'é
ch
)
15% 30% 45% 60% 75%
Hydrolyse
enzymatique
Influence de la teneur en eau des déchets sur les
processus de biodégradation
Déchets à 20% cellulose
production théorique de CH4: 75 ml/g
0 5
10 15 20
25 30 35 40
0 20 40 60 80 100
Temps (j)
AG
V (
mg
/g é
ch
an
tillo
n) 99 % humidité 60 % humidité
Acidogenèse 0
10
20
30
40
50
60
0 20 40 60 80 100
Temps (j)
CH
4 (
ml/g
éc
h)
99% 60%
Méthanogenèse
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26
•prétraitement
• si possible pour séparer/éliminer les contaminants
• approprié sur le plan technologique, économique
•composition variable association de matières
• équilibre carbone/azote (C/N)
• teneur en eau optimale
• apports stables dans le temps
Maîtrise des intrants en biométhanisation
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27
Potentiel de production (L /kg
DCO)
Matière organique Equation de conversion chimique CH4 CO2 Total
Biogaz 70% CH4
Glucose C6H12O6 → 3 CH4 + 3 CO2 349 349 698 498
Cellulose/amidon (C6H10O5 + H2O → 3 CH4 + 3 CO2)n 349 349 698 498
Protéine C4H6ON + 2,75 H2O → 2,13 CH4 + 1,88 CO2 298 263 561 426
Matière grasse C55H106O6 + 25,5 H2O → 39,25 CH4 + 15,75 CO2 350 141 491 501
Maîtrise des intrants en biométhanisation
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Maîtrise de la cinétique de production de CH4 Temps de séjour défini en fonction des matières
Kepp U. (2010). 15th Eur. Biosolids …Conf., Leeds
Y = Ym . (1-e-kt)
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Différentes matières
→ données accessibles dans la litterature
→ tests d'évaluation du potentiel
méthanogène (tests BMP)
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30
Plan de l'exposé
1. Variabilité des déchets méthanisables et généralités sur les
processus de biodégradation
2. Technologies de biométhanisation – maîtrise des paramètres
3. Biométhanisation en phase solide : CET – biométhaniseur
4. Biométhanisation en phase liquide : exemples, coûts
5. Perspectives : digestion anaérobie en 2 étages H2 + CH4
6. Conclusions
![Page 31: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/31.jpg)
31
Traitement des lixiviats
Extraction
des lixiviats Contrôle des
infiltrations du
gaz
Contrôle des
infiltrations du
gaz
Sens de l’écoulement de la nappe aquifère
Contrôle
amont de la
nappe Contrôle
aval de la
nappe
Argile
Géomembrane
Drainage des lixiviats
Drainage des gaz
Géomembrane
Argile
Drainage des eaux
Terre
Extraction
des gaz
Déchets
Traitement
des gaz
Le CET : un bioréateur à gérer
![Page 32: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/32.jpg)
32
La gestion des CET en Région wallonne
(similaire dans les autres régions d'Europe)
• population de 4 millions d'habitants
• 1 kg/hab/j de déchets produits
• 5 à 6 grands CET exploités depuis les années '70
Exemple pour un CET
• 27 ha – 35 à 45 m de profondeur
• 10 millions de tonnes de déchets enfouis
• potentiel de 600 millions de m³ de méthane = 6000 GWh (sur 20 à 30 ans)
• 13 moteurs de 750 KW de puissance électrique
• 80 GWh d'électricité par an (idem 20 éoliennes de 2 MW à 25% du fct continu)
• 140 GWh de calories valorisables (chauffage central, ...)
![Page 33: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/33.jpg)
Base du CET
Drains PEHD
200 à 250 mm
Fonction du débit
30 t de résistance
(fonction masse de
déchets)
![Page 34: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/34.jpg)
34
Matériaux et vue d’ensemble du système de drainage
des lixiviats dans un CET
![Page 35: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/35.jpg)
CET en vision réelle Sur les flancs : étanchéité
et drains de reprise
des lixiviats + géotextile
Etanchéité de base,
collecte des lixiviats
![Page 36: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/36.jpg)
CET en exploitation
1. Déversements
2. Epandage
3. Compactage (25-40 tonnes)
![Page 37: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/37.jpg)
CET en exploitation (fin de journée)
4. Couverture 5. Joints 6. Humidification
+ parfums
8. Pompage des gaz
Elevation des puits à l’avancement
7. Couverture de terre
à moyen terme
![Page 38: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/38.jpg)
Description de l’étanchéité de couverture d’une décharge
![Page 39: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/39.jpg)
Description des puits de dégazage
Graviers 30/90 mm
Tuyau PEHD
Tuyau PEHD
Connexion coulissante PEHD
Connexion coulissante PEHD
niveau bas de
l’étanchéité de couverture
Tuyau crépiné PEHD 250 mm
vers station de pompage du
biogaz
50 à 120 cm
60 cm bentonite calcique
50 à
100 %
de la
pro
fondeur
du
CE
T
•Éviter les poches
de gaz sous
pression
•Éviter les nappes
de lixiviats perchées
![Page 40: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/40.jpg)
Réseau de collecte et traitement des gaz
Moteurs à gaz 4-5kW/m³
Torchère
<35%CH4,1200°C
![Page 41: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/41.jpg)
Biogaz produit par la décomposition biologique de la matière organique des
déchets
- 10% produit par une décomposition aérobie (déchets frais ) (CO2 + H2O)
- 90% produit par une décomposition anaérobie (CH4 + CO2 (+ H2S) + ... )
dont 90 % à partir de la cellulose qui sera dégradée à 70 – 77 %
Rendements de production de biogaz inférieurs en décharge
Remarque : Pour développer une activité méthanogène, il faut des
conditions anaérobies (sans oxygène)
=> Le massif de déchet doit être assez important!
(quelques mètres d’épaisseur)
![Page 42: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/42.jpg)
42
Procédés : Dranco Kompogas et BRV Valorga
~60 grandes installations en Europe (Ex. Idelux Tenneville) traitant
• cuves d'environ 3000 m³
• 10 000 à 50 000 tonnes de biomasse / année
• Input : 5 - 25 kg de DCO / m³ . j
• 10 – 20 jours de temps de rétention, C/N > 20
• 50 – 70 % de conversion de DCO
• Output : 1 - 8 m³ de CH4 / m³ . j
La biométhanisation en phase sèche
![Page 43: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/43.jpg)
43
Flowsheet complet : procédé Dranco
![Page 44: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/44.jpg)
44
![Page 45: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/45.jpg)
![Page 46: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/46.jpg)
46
![Page 47: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/47.jpg)
47
Plan de l'exposé
1. Variabilité des déchets méthanisables et généralités sur les
processus de biodégradation
2. Technologies de biométhanisation – maîtrise des paramètres
3. Biométhanisation en phase solide : CET – biométhaniseur
4. Biométhanisation en phase liquide : exemples, coûts
5. Perspectives : digestion anaérobie en 2 étages H2 + CH4
6. Conclusions
![Page 48: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/48.jpg)
48
Fermentation en phase liquide continu (classique)
1 kg de DCO par m3bior. par jour (ts ~ 5 - 8 j)
1 m3 de méthane - 1 kg de boues par m3 input
Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactor (UASB et dérivés)
• 10 - 20 kg de DCO par m3bior. par jour
à partir d'une charge de 0.5-5 kg DCO/m³
• 0,5 - 1KWe/m3
bior. (Pinst; rendement > 35%)
La biométhanisation en phase liquide
![Page 49: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/49.jpg)
Biométhanisation en phase liquide
![Page 50: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/50.jpg)
![Page 51: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/51.jpg)
![Page 52: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/52.jpg)
![Page 53: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/53.jpg)
![Page 54: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/54.jpg)
Processus de granulation (bactéries filamenteuses Methanosaeta) :
théorie du spaghetti
![Page 55: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/55.jpg)
![Page 56: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/56.jpg)
![Page 57: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/57.jpg)
57
Autoconsommation
de l'unité: 15 à 30%
de la production
Description d'implantation
Nombreux exemples en
Allemagne, P-B, Flandres,…
Développements en Wallonie (env. 10 installations actuelles
agricoles ou mixtes)
![Page 58: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/58.jpg)
58
Eléments principaux d’une installation de 1 MWe
Incorporation des
matières (semi-) solides 1 digesteur 4000 m³
pour ts 20 jours
stockage biogaz
1 post-digesteur
2000 m³
Cogénération
Ependage des
digestats
liquides
Séparation S/L
des digestats
![Page 59: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/59.jpg)
59
Investissements et coûts de fonctionnement (en Europe)
• Digesteur à cuve mélangée : 60-300 €/m³
• Equipements (électromec, cogen, …) : ~ 650 000 € pour une
puissance installée de 1 MWe (~ 8000 MWhe/an)
La biométhanisation en phase liquide
![Page 60: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/60.jpg)
60
Ventilation des coûts d'investissement (en Europe)
La biométhanisation en phase liquide
Kepp U. (2010)
![Page 61: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/61.jpg)
61
Investissements et coûts de fonctionnement (en Europe)
• Digesteur à cuve mélangée : 60-300 €/m³
• Equipements (électromec, cogen, …) : ~ 650 000 € pour une
puissance installée de 1 MWe (~ 8000 MWhe/an)
• Coût annuel d'exploitation : 10 % de l'investissement
(50 % de coûts en personnel)
Gains potentiels sur la vente (en Belgique)
• 1,5 à 2 Certificats Verts par MWhe vendu pendant 15 ans
(65-85 € / CV)
• 40 € / MWhe vendu1 (+ éventuellement 30 € / MWh calorifique)
(1) Prix d'achat de l'électricité : ~100 € / Mwhe en industrie; ~200 € / MWhe domestique
La biométhanisation en phase liquide
![Page 62: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/62.jpg)
62
Plan de l'exposé
1. Variabilité des déchets méthanisables et généralités sur les
processus de biodégradation
2. Technologies de biométhanisation – maîtrise des paramètres
3. Biométhanisation en phase solide : CET – biométhaniseur
4. Biométhanisation en phase liquide : exemples, coûts
5. Perspectives : digestion anaérobie en 2 étages H2 + CH4
6. Conclusions
![Page 63: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/63.jpg)
MATIERE ORGANIQUE
COMPLEXE
COMPOSES ORGANIQUES SOLUBLES
ACIDES GRAS VOLATILS ALCOOLS
Hydrolyse cellulases, amylases
proteases, lipases, …
Acidogenèse Bacillus,
Enterobactéria, …
(Carbohydrates, acides aminés, ac. gras)
Acétogenèse Clostridium,
Ruminococcus, …
AC. ACETIQUE
CO2 ,H2
Méthanogenèse Methanobacter,
Methanosarcina, …
63
Processus de biodégradation digestion anaérobie
CH4
CO2
Etage 1
Etage 2
![Page 64: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/64.jpg)
• Resistance aux chocs d’alimentation (déjà éprouvé : Pohland 1971)
• Production rapide d’un fuel (acidogenèse plus rapide que methanog.)
• Rendement énergétique accru 10-30% selon le procédé, …
Amélioration du procédé / intégration dans les agro-industries
Diversité des fuels énergétiques – avantages de l’H2
• Densité d’énergie : DEH2 = 33 kWh/kg H2 = 2.4 DECH4
• Combustion : H2+ ½ O2 H2O CO2 = Ø
• Potentialités des piles à combust. : YieldsFC > Yieldsengine
64
Perspectives : Digestion anaérobie en 2 étages H2 + CH4
![Page 65: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/65.jpg)
– Reformage du méthane (800 °C)
CH4 + H2O CO + 3H2
CO + H2O CO2 + H2
– Oxydation partielle des hydrocarbures
– Gazéification du charbon/biomasse (%MS>>)
CaHbOg + O2 + H2O CO2 + H2
– Electrolyse de l’eau
H2O + ½ O2 + H2
– Production par voie microbiologique
Production d’hydrogène
65
95 %
H2 - p
roductio
n in
dustrielle
(500 1
09 N
m³/yea
r)
![Page 66: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/66.jpg)
Voie microbiologique de production d’H2
Clostridium, Ruminococcus, Aeromonas, Bacillus,
Escherichia, Citrobacter, Chlorobium, Rhodospirullum,
Chromatium, Chlamydomonas, ...
Microorganismes :
• Bactéries
• Algues
phototrophes
chimiotrophes
66
![Page 67: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/67.jpg)
67
Microorganismes
phototrophes
Lumière
Microorganismes
chimiotrophes Dark fermentation
Anaérobiose,
Nutriments
CO2 + H2
... 6CO2 + 12H2
Rendement élevé
Alcools, acides, ...
en solution aqueuse
... 2CH3COOH + 2CO2 + 4H2
Productivité élevée
Source
carbonée C6H12O6 C6H12O6
Source
carbonée
![Page 68: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/68.jpg)
mieux adapté que les autres bioprocédés pour des
applications industrielles à partir de biomasse et eaux usées
réduction de pollution + production d’énergie
70 - 250 m³ H2 par tonne de DCO
68
3 - 12 m³ H2 par m3bior. par jour
(digestion anaérobie classique: 0,3 – 6 m³ CH4 / m³.j)
substrats = résidus liquides ou solides contenant des
carbohydrates (amidon, saccharose, lactose, …)
poursuivie par une biométhanisation efficace
Production de biohydrogène par dark-fermentation
![Page 69: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/69.jpg)
Residual
organic
matter
Bioreactor
I
Bioreactor
II
CO2 + H2 Biogas
treatment Fuel cell
CO2 + CH4
Engine or
steam power Steam and
mechanic energy
Ultimate
treatment
Brewery effluents
10 000 m3/d wastewaters
1400 mg/L DBO5
3000 m3 H2
375 kW
150 kW
+ hot
water
1000 kW
Natural
environment
225 kW
750 kW
69
Exemple d’installation de ~1,5 MW
![Page 70: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/70.jpg)
70
performances variables : - Clostridium > anaérobies facultatives
- C. butyricum > autres Clostridium spp.
> souches thermophiles
BioH2 - 1.1. : screening en fioles
Comparaison des rendements de production d’H2
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80R
endem
en
t d'H
2(m
ol H
2/m
ol glu
co
se
)
Anaérobies strictes facultative
![Page 71: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/71.jpg)
BioH2 - 1.2. : screening en bioréacteur
71
confirmation de l’intérêt du screening et des performances
des souches retenues en conditions régulées
Comparaison des souches retenues en bioréacteurs
bioréacteur de 2,3 L
- pression atmosphérique
suivi régulier du volume cumulé d’H2
- pH régulé
pH optimum
- 1 souche anaérobie facultative
Citrob. freundii CWBI952
- 1 souche anaérobie stricte
C butyricum CWBI1009
- 1 population mixte
UASB 80°C / 30 min
![Page 72: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/72.jpg)
72
H2, acides et éthanol = métabolites primaires
BioH2 - 1.2. : screening en bioréacteur
Suivi de la production d’H2 en fonction du temps d’incubation
0
5
10
15
20
25
30
35
0 5 10 15 20 25
Temps (heure)
Co
nc
en
tra
tio
n (
mM
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Vo
lum
e d
'hyd
rog
èn
e p
ar
gra
mm
e d
e g
luco
se
co
nso
mm
é (
ml H
2/g
glu
co
se)
Glucose Succinate Lactate Formiate Acétate Ethanol Butyrate Hydrogène
C. but. CWBI1009
Ren
de
me
nt d
’H2
(m
L H
2/g
glu
c.)
![Page 73: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/73.jpg)
73
pH 5,2 optimum pour production H2
BioH2 - 2.1. : effet du pH
Rendements de production d’H2 et autres métabolites
y = -56,004x4 + 1386,5x
3 - 12756x
2 + 51608x - 77225
R2 = 0,9951
0
50
100
150
200
250
4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5
pH
Vo
lum
e d
'hyd
rog
èn
e p
rod
uit
par
gra
mm
e d
e
glu
co
se c
on
so
mm
é (
ml H
2/g
glu
co
se)
Ren
de
me
nt d
’H2
(m
L H
2/g
glu
c.)
Carb
on
e initia
l co
nve
rti e
n m
éta
bo
lite
s (
%)
Butyrate
Ethanol
Acétate
Formiate
Lactate
butyrate >> et formiate << pH [6-7,5]
![Page 74: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/74.jpg)
74
Renouvellement 40% du milieu
BioH2 - 2.2. : orientation métabolique
Culture en mode séquentiel (SBR) : analyse du bilan carboné
Orientation du métabolisme vers les voies productrices d’hydrogène
butyrate et acétate essentiellement
rendement d’H2 + 35%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
2,3L batch - pH 5,2 2,3L SBR - pH 5,2
Carb
on
e initia
l co
nve
rti e
n m
éta
bo
lite
s (
%)
Butyrate
Ethanol
Acétate
Formiate
Lactate
![Page 75: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/75.jpg)
75
BioH2 - 3.1. : effet de PH2
PH2 < 60 Pa
4 H2 +
2 acetate
PH2 > 60 Pa
2 H2 +
1 butyrate Angenent (2004)
![Page 76: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/76.jpg)
0
5
10
15
20
25
30
35
0 5 10 15 20 25
Temps (heure)
Co
nc
en
tra
tio
n (
mM
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Vo
lum
e d
'hyd
rog
èn
e p
ar
gra
mm
e d
e g
luco
se
co
nso
mm
é (
ml H
2/g
glu
co
se)
Glucose Succinate Lactate Formiate Acétate Ethanol Butyrate Hydrogène
0
5
10
15
20
25
30
35
0 5 10 15 20 25
Temps (heure)
Co
nc
en
tra
tio
n (
mM
)
0
50
100
150
200
250
ml H
2/g
glu
co
se
-
m
l H
2/h
Glucose Hydrogène
05
10
15
20
25
30
35
0 5 10 15 20 25
050
100
150
200
250
76
Time (h)
BioH2 - 3.1. : effet de PH2
tester des bioréacteurs avec transfert L/G amélioré
![Page 77: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/77.jpg)
77
BioH2 - 3.2. : effet de PH2
• surface d’échange L/G élevée
• rétention cellulaire
• homogénéisation conditions environnementales maîtrisables
prélèvement d’échantillons représentatifs
• peu énergivore
Etude de la production d’H2 en bioréacteur à « biodisque »
Biogas outlet
Medium addition
Medium removal
![Page 78: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/78.jpg)
150
170
190
210
230
250
270
290
310
50
150
250
350
450
550
650
750
850
0,2 0,7 1,2 1,7 2,2 2,7 3,2
Re
nd
em
en
t d
'H2
(m
L/g
glu
co
se
)
Pro
du
ctivité
d'H
2 (
ml/L
.h)
Charge organique (g glucose / L . h)
Productivité Rendement
150
170
190
210
230
250
270
290
310
50
150
250
350
450
550
650
750
850
0,2 0,7 1,2 1,7 2,2 2,7 3,2
Re
nde
me
nt d
'H2
(m
L/g
glu
cose)
Pro
du
ctivité
d'H
2 (
ml/L
.h)
Charge organique (g glucose / L . h)
Productivité Rendement
78
BioH2 - 3.2. : effet de PH2
500 mL 300 mL vol. liquide rendement d’H2 + 30%
> 300 mL H2 / g glucose consommé
500 mL milieu de
culture
300 mL
![Page 79: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/79.jpg)
79 79
• matière méthanisable = matière organique
• variabilité des matières association des matières
• importance de la rentabilité économique
taille optimale (1 à 5 MWe)
synergies agro-industrielles éco-zonings
traitement énergétique des résidus, invendus, refus, …
utilisation de l’électricité (négociation directe du prix)
valorisation des calories (négocia° du prix, plus de CV)
valorisation des digestats liquides et solides
(fertilisants éventuellement concentrés, texturants du sol)
• intérêts environnementaux
Conclusions
![Page 80: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/80.jpg)
80 80
Merci de votre attention
www.microh2.ulg.ac.be
Publications avec accès gratuit
Guide IEPF sur la gestion des déchets : http://hdl.handle.net/2268/12919
http://orbi.ulg.ac.be/simple-search?query="hiligsmann+serge"
![Page 81: Valorisation de la biomasse par fermentation ...orbi.ulg.ac.be/bitstream/2268/181407/1/SH_ ULB_digestion anaérobie... · 21 La biométhanisation de la matière organique ... - micro-organisme](https://reader034.fdocuments.net/reader034/viewer/2022051202/5a78abb87f8b9ab8768e847a/html5/thumbnails/81.jpg)
81
Video téléchargeables
• Méthanisation agricole énergie renouvelable par recyclage des déchets en énergie
http://www.youtube.com/watch?v=ynSNibF79Z0
https://www.youtube.com/watch?v=34qEwCUPFkI
https://www.youtube.com/watch?v=j-vEQgwGfrM
• Envitec Biogas : Visite virtuelle d'une installation de production de Biogaz
http://www.youtube.com/watch?v=nNECNkVSXWY
• PlanetBiogasGroup : Mise en place d'une installation biogaz http://www.youtube.com/watch?v=Ef-
YFw92PtY
• Agrikomp biogastechnik : Principe et Fonctionnement d'une installation de Biogaz
https://www.youtube.com/watch?v=infmbjXsVRc&list=TLn5v-TwCjnI7AWu_u8Ke2vH47Eu_2LR2A
• Biogas du Haut-Geer :
http://www.canalzoom.com/site/index.php?iddet=8698&quellePage=999&idcat=189
+ Intégration énergétique et Valorisation chaleur http://www.youtube.com/watch?v=ulHoYQkFMxw
• Austep
Biogas da Forsu http://www.youtube.com/watch?v=GwPPU1xOOhg
AUSTEP - Anaerobic digestion of slaughterouse waste http://www.youtube.com/watch?v=2Rn-
2hzKp_A
• BioConstruct : How to build a biogas plant http://www.youtube.com/watch?v=mCebM7a5XBQ