Microbiologie de la Digestion
Anaérobie
Philippe DELFOSSE
AILE, Rennes, 21 juin 2011
Digestion Anaérobie ?
• Processus biologique complexe de conversion de
la matière organique en:
CH4, CO2, NH3, H2S
Equation générale: (Buswell & Müller, 1952)
CcHhOoNnSs + y H2O x CH4 + n NH3 + s H2S + (c-x) CO2
SUCRES: C6H12O6 3CO2 + 3 CH4
LIPIDES: C12H24O6 + 3 H2O 4.5 CO2 + 7.5 CH4
PROTEINES: C13H25O7N3S 6.5 CO2 + 6.5 CH4 + 3 NH3 + H2S
Substrats Production théorique
de biogaz
Nl/kg DOM CH4 (%) CO2 (%)
hydrates de carbone 746 50 50Lipides 1390 72 28Proteines 800 60 40
Composition théorique
de biogaz Protéines: CO2 se lie à NH3 et
H2S reste principalement en
phase liquide CH4 60%
Digestion Anaérobie ?
• Processus biologique complexe qui peut
être décrit en 4 phases de dégradation :
1. Hydrolyse
2. Acidogénèse
3. Acétogénèse
4. Méthanogénèse
La Digestion Anaérobie
Polymères complexes
Hydrolyse
pH
4.5 – 6.3
temps O2
heures
Caractéristiques
Monomères, Dimères, a.a., ac. grasAcidogénèse 4.5 – 6.3 heures
AGV, CO2, H2, Alcooles
Acide Acétique
Acetogénèse 6.8 – 7.5 1-4 jours
CH4, CO2
Méthanogénèse 6.8 – 7.5 5-15 jours
Les facteurs limitants et d’inhibition
exo-enzymes
Monomères, Dimères, a.a., ac. gras
Polymères complexes
Hydrolyse lignine, mélange
AcidogénèseH2S, NH3, sels,
antibiotiques
AGV, CO2, H2, Alcools
Acide Acétique
Acetogénèse Excès H2, H2S, NH3,
sels, antibiotiques, T°
CH4, CO2
Méthanogénèse O2, pH, T°, Cu, sels,
carence en Ni Etroite association/actions concertées !
1 HYDROLYSE• Exoenzymes produits par des bactéries anaérobies
facultatives ou obligatoires dégradent les substrats
insolubles (polymères: cellulose, hémicellulose, amidon,
protéines, lipides) en fragments solubles (monomères)
• Les bactéries anaérobies facultatives consomment l‟O2
dissout dans l‟eau et causent de ce fait une réduction du
potentiel redox nécessaire au développment des bactéries
anaérobies strictes.
• Glucides qqus heures
• Protides et Lipides qqus heures à qqus jours
• Lignocellulose qqus semaines
• Lignine „ indigestible‟
Bactéries hydrolysantesGenre Species Description
Bacteroides uniformis immobiles, Gram-neg, bâtonnets
acidifaciens
vulgatus
ruminicola
Lactobacilus pentosus immobiles, Gram-pos, bâtonnets
plantarum endospores
Propioni-bacterium microaerophilium immobiles, Gram-pos, bâtonnets
propionicus spores
cyclohexanicum
Sphingomonas subterranea présentes dans les sédiments profonds
Sporobacterium olearium
Megaspheara elsdenii rumen
Bifidobacterium
X
X
2 Acidogénèse
2
Organic fraction
Carbohydrates Proteins Lipids
Monosaccharides Amino Acids Long Chain Fatty Acids
HAc
HPr, HBu, HVa,…
CH4
Volatile Fatty Acids
(VFA)
HVa: valeric acid (C5)
HBu: butyric acid (C4)
HPr: propionic acid (C3)
HAc: acetic acid (C2)
Anaerobic
Digestion
Substrate H2OInorganic
Bactéries acidogènesLa majorité des acidogènes participent aussi à l’hydrolyse !
Genres: Clostridium, Ruminococcus, Paenibacillus
1. Clostridium: grand groupe diversifié
Clostridium tetani (tétanos) Clostridium botulinum (botulisme) ?
Bactéries acidogènes
2. Ruminococcus: Glucides Acetate, Formate, Succinate, Lactate
EthOH, H2, CO2
3. Paenibacillus: Glucides Acetate, Formate, Lactate, Propionate
3. Acétogénèse
Les acétogènes produisent obligatoirement H2
Inhibition si forte pression partielle en H2
Symbiose nécessaire avec des bactéries consommatrices d‟H2
Bactéries acetogènes
• Symbiose obligatoire avec des bactéries consommatrices de H2
• Régénération = 84 h
• Acides organiques, Alcooles, a.a. Acetate, CO2, H2
Bactéries methanogènes
• Bactéries primitives = Archaea
• Possèdent le co-facteur F420 (transporteur d‟H2, autofluorescent)
• Principaux = Methanobacterium, Methanospirillum, Methanosarcina
• Archaea methanogènes =
• Anaerobie stricte !!!
• Substrats = acetate, formate, methanol/H2, H2/CO2
• Nikel dépendantes
Methanosaeta
Methanosarcina
Bactérie méthanogène
en symbiose avec le
protiste Nyctotherus
ovalis (dehydrogenase
coenzyme F420)
Bactéries methanogènes
1
CO2
H2
acide acétique
METHANOGENESE
bactéries hydrognotrophes
bactéries acétoclatiques CH4
CO2
CH4
bactéries methyltrophiquesmethanol CH4
Compétition Bactérienne
• Bactéries réduisant les sulfates
•Réduisent le SO42- en H2S en utilisant l‟acétate et H2
• consomment les deux substrats principaux de la méthanogenèse
• Il faut maintenir un ratio Substrat/ SO42- > 3
Desulfovibrio vulgaris
•Desulfobacterales
•Desulfovibrionales
•Syntrophobacterales
•Thermodesulfobacteria
Compétition Bactérienne
• Bactéries homoacétogènes
•Réduisent H2 et CO2 en Acétate
• consomment l‟H2
•compétition avec les méthanogènes hydrogénotrophes (!)
• favorisent les méthanogènes acétoclastiques (=acétotrophes)
• Digesteurs agricoles
• Passé: CH4 70% viendrait AcAc et 30% CO2 + H2 = CH4
• Depuis Klocke 2007 et 2008 l‟inverse a été démontré !
Biogaz à la ferme
Les paramètres utiles à suivre
et les bonnes pratiques pour assurer une
biométhanisation stable
La Biométhanisation à la fermeCH4, H2
CO2, H2S, H2O
Substrats = Matière organique :
•Déjections animales
•Production végétale
•Sous-produit de l‟agro-
alimentaire, ménages,…
Digestats :
•MO non digérée
•N, P, K
•Odeur réduite
A. Quel substrat ? (qualité, digestibilité)
Quel approvisionnement ? OLR = mS x [DOM] / Vr (DOM kg/m3j)
Quel temps de séjour ? HRT = Vr / Vs (j)
B. Phénomènes d‟indigestion ? Acidose, Intoxication NH3, métaux lourds, antibiotiques, sels, T°
C. Les digestats peuvent-ils
encore produire du CH4 de
manière rentable ?
Vs (m3/j)
ms (kg/j) VD (m3/j)
mD (kg/j)
Vg (m3/j)
%CH4 %CO2
Vr (m3)
T°, pH
Mélange
Et la BIOLOGIE
?
La Digestion Anaérobie
Polymères complexes
Hydrolyse
pH
4.5 – 6.3
temps O2
heures
Caractéristiques
Monomères, Dimères, a.a., ac. grasAcidogénèse 4.5 – 6.3 heures
AGV, CO2, H2, Alcoles
Acide Acétique
Acetogénèse 6.8 – 7.5 1-4 jours
CH4, CO2
Méthanogénèse 6.8 – 7.5 5-15 jours
Les facteurs limitants et d’inhibition
exo-enzymes
Monomères, Dimères, a.a., ac. gras
Polymères complexes
Hydrolyse lignine, mélange
AcidogénèseH2S, NH3, sels,
antibiotiques
AGV, CO2, H2, Alcools
Acide Acétique
Acetogénèse Excès H2, H2S, NH3,
sels, antibiotiques, T°
CH4, CO2
MéthanogénèseO2, pH, T°, Cu, sels ,
carence NiEtroite association/actions concertées !
Perturbations du processus• Intoxication due aux AGV (Acidose, pH<7)
• Intoxication due à NH3 (NH4>3kg/m3 dig.)
• Intoxication due à H2S (H2S>50 mg/l dig.)
• Intoxication due à l‟O2 (O2>0.1 mg/l dig.)
• Intoxication due aux métaux lourds
(Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd)
• Intoxication due aux antibiotiques/désinfectants etc…
– Que se passe-t-il ?
– Origine ?
– Comment les détecter ?
– Comment y remédier ?
Bact. Acetogènes
Bact. Methanogènes
Acidose : Que se passe-t-il ?
Polymères Complexes
Carbohydrates, Lipids, Proteins, Ac nucléiques
Hydrolysis
monomères, dimères
sucres, acides gras branchés, a.a.,
Acidogenesis
AGV : Ac., Prop., But,
Alcools, Acetone, CO2, H2Acetogenesis
Acetate H2, CO2
Methanogenesis
CH4 + CO2
Accumulation:
• H2 et CO2
• acides organiques
Chute:
•pH
•CH4, m3 biogaz
Signes annonciateurs
Bact. Acidogènes
Bact.Hydrolytiques
Acidose : Origine ?
• Alimentation excessive
• Substrats trop fermentescibles
• Inhibition des ACETOGENES par:
– Antibiotiques, désinfectant
– T°
– H2S (protéines)
– Sels (STEP)
• Inhibition des METHANOGENES par:
– T°
– Cu, Zn, Cr, Pb, …
– O2 (introduit avec les substrats)
– Carence en Ni
Bourbes de vinification (riche en sucres solubles)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
heures
gas (
m3/t
)
CH4 (m3/t FM)
CO2 (m3/t FM)
Acidose : Comment la détecter ?
• Chute de production de biogaz
• Perte de qualité du biogaz (CH4 < 50%, CO2 > 50%)
• pH < 7
• Déplacement de l‟H2S vers la phase gazeuse
1. Paramètres communément disponibles sur site
SOUVENT IL EST DEJA TROP TARD !!!
Acidose : Comment la détecter ?
2. Paramètres plus sûrs car précurseurs de l‟acidose
• Augmentation de la pression partielle en H2
• Chute de l‟alcalinité totale = pouvoir tampon
= amortisseur d‟acidité
• Accumulation des AGV et modification de la balance en AGV (proprotion d‟Ac Ac chute alors que Prop, But, Val augmentent)
Pression partielle en HYDROGENE (H2)
• Le plus précoce = H2 puisqu‟il
inhibe le processus
• H2 est quasi insoluble dans l‟eau et
se retrouve donc dans la phase
gazeuse
mesurer la pression partielle en H2
dans le biogaz 1ppm < H2 < 100
ppm
• Détecteur à H2 à prix abordable
existe aujourd‟hui sur le marché
• Attention aux interférences avec
H2S et NH3 capteur spécifique
phase de développement
Projet INTERREG IV A OPTIBIOGAZ
Suivi de l‟Hydrogène
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
09/08 11/08 13/08 15/08 17/08 19/08 21/08 23/08 25/08 27/08 29/08
CH
4, C
O2
(%)
and
H2
(pp
m)
con
cen
trat
ion
, bio
gas
pro
du
ctio
n r
ate
(m
L/m
in)
and
fe
ed
ing
rate
(g/
10
0L)
H2S
con
cen
trat
ion
(p
pm
)
Date
H2S biogas rate
H2 feeding rate
CH4 CO2
Double feeding rate Temperature decrease
Suivi de l‟Hydrogène
Hydrogen
-100.0
100.0
300.0
500.0
700.0
900.0
1100.0
1300.0
1500.0
2011-0
4-0
7 0
0:0
0
2011-0
4-1
7 0
0:0
0
2011-0
4-2
7 0
0:0
0
2011-0
5-0
7 0
0:0
0
2011-0
5-1
7 0
0:0
0
2011-0
5-2
7 0
0:0
0
2011-0
6-0
6 0
0:0
0
2011-0
6-1
6 0
0:0
0
2011-0
6-2
6 0
0:0
0
Date
H2
[p
pm
]
Pilot 1 Pilot 2 Pilot 3 Pilot 4
Chute de l‟alcalinité totale
Source: Melanie HECHT, unpublished
• Alcalinité totale = pouvoir tampon = “amortisseur” d‟acidité
• Principal acteur = CO2 = carbone inorganique (TIC ou TAC)
• Tampon d'acide carbonique (H2CO3) et de hydrogénocarbonate (HCO3
-) maintient le pH entre 7,35 et 7,45.
6.5 10.4
AGVTIC
pH
Comment mesurer l‟alcalinité totale (TIC) ?
www.hach-lange.de
TAC=20ml
V× M TAC× 250
TIC: Total Inorganic Carbonate (mg/kg)
V: volume of sample (mL)
MTAC : amount of 0.05 M sulfuric acid im mL
TIC
Problèmes:
•Réalisé en laboratoire
•Forte production de mousse (CO2)
•Utilisation H2SO4 [conc]
•Sonde pH pour solution organique
Titrateur automatique
Comment mesurer l‟alcalinité totale (TIC) sur site?
http://www.biogaspro.de/index.html
Le QUANTOFIX ou l‟AGRO-LISIER pourraient être adaptés
Coopagri Bretagne, mars 1995
TIC
CO2 + H2O H2CO3
Accumulation des AGV tot et modification de la
composition en AGV
• Lorsque l‟Acetogenèse est inhibée par l‟excès d‟H2, les AGV de taille supérieure à l‟acétate (C2) s‟accumulent
• Le premier à s‟accumuler est l‟Ac propionique (C3)
Dans la pratique il n‟y a pas de
valeur standard pour les AGVtot
Chaque digesteur est unique !
• Spectre en AGV
• C2 Ac Acétique CH3-COOH
• C3 Ac Propionique CH3-CH2-COOH
• C3 Ac Lactique CH3-CHOH-COOH
• C4 Ac Butyrique CH3-(CH2)2-COOH
• C5 Ac Valérique CH3-(CH2)3-COOH
• C6 Ac Caproïque CH3-(CH2)4-COOH
• C8 Ac Caprylique CH3-(CH2)6-COOH
• C10 Ac Caprique CH3-(CH2)8-COOH
• Extraction par entraînement à la vapeur et titration (AGV tot), Chromatographie
• Les premiers à s‟accumuler sont les AGV de taille supérieure à l‟acetate. Accumulation du propionique au détriment de l‟acétique
• Les AGV branchés (isoBut, isoVal) sont plus difficilement transformés en Acétate
• [Ac Acétique] / [Ac propionique] 3 est OK10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.5 40.0
1.00
2.00
3.00
4.50µS
min
–L
acti
c a
cid
-A
ceti
c a
cid
-P
rop
ion
ic a
cid
-i-
Bu
tyri
c a
cid
-n
-Bu
tyri
c a
cid
0.00
Acidose : Comment y remédier ?
• Stopper l‟alimentation !!!
• Mélanger pour favoriser les échanges entre bactéries
• Diluer ?
• Ajout de NaHCO3 (CaO, CaCO3)
•Réaction rapide
•Augmentation du pH et de la capacité tampon des digestats
•Faire un test préliminaire (10 litres de digestat + incrément de 1 g de
NaHCO3 jusqu‟à un pH de 7.8 puis extrapoler au volume du digesteur)
•Un stock de sécurité de 500 kg est recommandable
• Dévier le digestat acidifié vers un méthaniseur à lit fixe
Perturbations du processus• Intoxication due aux AGV (Acidose, pH<7)
• Intoxication due à NH3 (NH4+ > 3kg/m3 dig.)
• Intoxication due à H2S (H2S > 50 mg/l dig.)
• Intoxication due à l‟O2 (O2 >0.1 mg/l dig.)
• Intoxication due aux métaux lourds
(Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd)
• Intoxication due aux antibiotiques/désinfectants etc…
– Que se passe-t-il ?
– Origine ?
– Comment les détecter ?
– Comment y remédier ?
Intoxication à NH3
• Que se passe-t-il ?
• Origine
• Comment la détecter à temps ?
• Comment y remédier ?
Intoxication à NH3 : Que se passe-t-il ?•Excès de protéines dans la ration
•Accumulation d‟NH3 dans le
digestat pH augmente !
•Effet inhibiteur principal de NH3
sur les Acétogènes et les
Acidogènes
•L‟Hydrolyse et la Méthanogenèse
fonctionnent
•Accumulation de monomères,
AGV de grande taille, acides
aminés, sucres, alcools, acétone,…
•CH4/CO2 reste favorable !!!
•Nm3 biogaz chute
Polymères Complexes
Carbohydrates, Lipids, Proteins, Ac nucléiques
Hydrolysis
monomères, dimères
sucres, acides gras branchés, a.a.,
Acidogenesis
AGV : Ac., Prop., But,
Alcools, Acetone, CO2, H2Acetogenesis
Acetate H2, CO2
Methanogenesis
CH4 + CO2
• NH3 > 3 kg/m3 de digestat
• Les bactéries montrent en
général une bonne capacité
d‟adaptation
• Si le pH ou la T° augmente le
N-NH3 devient encore plus
toxique (fragilité thermophile)
Intoxication à NH3 : Origine ?
• Substrats riches en protéines
• Rapport C/N < 30
• Gluten, protéines animales,
lisiers, fumier de volaille,…
NH3 + H2O NH4+ + OH-
C‟est la forme N-NH3 qui est toxique !
Intoxication à NH3 : Comment la détecter ?
www.hach-lange.de
Titrateur automatique Méthodes colorimétriques
Problèmes:
•Préparation de l‟échantillon
•Forte dilution nécessaire
Hors site
Comment mesurer NH3 sur site ?
•Ajout d‟une base en excès
•Et d‟un oxydant fort NaOCl
•NH4+ est converti en NH3 qui est a
son tour oxydé en NCl3 insoluble
•On mesure le volume de NCl3
produit par déplacement de la
colonne d‟eau
•Pro: Simple et robuste
•Con: NaOH [conc] et oxydant fort
PROTECTION
N-NH3
NH3+NaOCl NH2Cl+NaOH
NH2Cl+NaOCl NHCl2+NaOH
NHCl2+NaOCl NCl3+NaOH
Le QUANTOFIX ou l‟AGRO-LISIER pourraient être adaptés
Coopagri Bretagne, mars 1995
No
laboratoire
Désignation
de
l’échantillon
pH Total des
acides gras
volatils en
mg/kg dans
la matière
telle quelle
Acide
acétique
en mg/kg
dans la
matière
telle quelle
Acide
propionique
en mg/kg
dans la
matière telle
quelle
Acide
isobutyrique
en mg/kg
dans la
matière telle
quelle
Acide
butyrique
en mg/kg
dans la
matière telle
quelle
Acide
isovalérique
en mg/kg
dans la
matière telle
quelle
Acide
valérique
en mg/kg
dans la
matière
telle quelle
Acide
caproïque
en mg/kg
dans la
matière telle
quelle
1726/09 Digesteur 1 7,9 9.433 3.906 4.418 314 71 593 119 12
1727/09 Digesteur 2 8,0 1.597 187 1.390 10 2 8 - -
1728/09 Digesteur 3 8,1 1.860 165 1.671 14 1 9 - -
Exemple d‟intoxication à NH3
Intoxication à NH3 : Que faire ?• Peu de recommendation dans la litterature !
• Stopper l‟alimentation avec le substrat fautif riche en
protéines et source du NH3
• Acidifier le digestat (AcAc), Diluer ??
• Réalimenter prudemment avec un substrat fortement
fermentescible pour retrouver un rapport C/N favorable = 30 :
production d‟acide
chute du pH
NH3 passe sous forme NH4+
toxicité diminue
L‟Acetogenèse et l‟Acidogenèse reprennent
Perturbations du processus• Intoxication due aux AGV (Acidose, pH<7)
• Intoxication due à NH3 (NH4+ > 3kg/m3 dig.)
• Intoxication due à H2S (H2S > 50 mg/l dig.)
• Intoxication due à l‟O2 (O2 >0.1 mg/l dig.)
• Intoxication due aux métaux lourds
(Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd)
• Intoxication due aux antibiotiques/désinfectants etc…
– Que se passe-t-il ?
– Origine ?
– Comment les détecter ?
– Comment y remédier ?
Intoxication à H2S
• Que se passe-t-il ?
• Origine
• Comment la détecter à temps ?
• Comment y remédier ?
Polymères Complexes
Carbohydrates, Lipids, Proteins, Ac nucléiques
Hydrolysis
monomères, dimères
sucres, acides gras branchés, a.a.,
Acidogenesis
AGV : Ac., Prop., But,
Alcools, Acetone, CO2, H2Acetogenesis
Acetate H2, CO2
Methanogenesis
CH4 + CO2
Intoxication à H2S : Que se passe-t-il ?
•Excès de protéines dans la ration
•Accumulation d‟ H2S dans le digestat
• Effet inhibiteur principal de H2S sur les
Méthanogènes hydro-génotrophes, moins
sur les acétoclastiques, mais aussi sur les
Acidogènes et Acétogènes
•L‟Hydrolyse et la Méthanogenèse
fonctionnent malgré tout
•Accumulation de monomères, AGV de
grande taille, acides aminés, sucres,
alcools, acétone,…
•CH4/CO2 reste favorable !!!
•Nm3 biogaz chute
• H2S > 50 mg/l de digestat
• H2S ± 2 000 ppm biogaz
• Si le pH chute H2S devient
encore plus toxique (HS- H2S)
Intoxication à H2S : Origine ?
• Substrats riches en protéines
• Kératine = corne, peau, poils,
plume…
• protéines animales, lisiers,
fumier, colza et autres
crucifères (Brassicaceae)
• Vitamines (biotine, thiamine,
coenzyme A)
C‟est la forme H2S qui est toxique !
Méthionine Cystéine
-s-s-
Structure spatiale des protéines
Intoxication à H2S : Exemple
Plumes de poulet : Production cumulée de CH4 et de CO2
(MATIERE FRAICHE)
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Temps [Jours]
Pro
du
ctio
n c
um
ulé
e d
e C
H4
[Nm
³/ t
FM
]
CH4
CO2
• Plumes: faible digestibilité et risque de corrosion pour les digesteurs et les
groupes de cogénération. (cornes, poils, plumes, colza, …)
Plumes :
MS : 26,5 %
MOS : 95,6 %
•CH4/CO2 reste favorable !!!
•Nm3 biogaz chute
Intoxication à H2S : Comment la détecter ?
Analyseur de gaz sur site
Capteur électrochimique
Rappel:
•L‟intoxication à l‟ H2S provoque
principalement l‟inhibition des
Acétogènes:
Accumulation des AGV
Chute du pH
HS- H2S
Déplacement vers la phase
gazeuse
Détection accrue d‟ H2S dans
le biogaz
CORROSION !!!700 ppm Mort Immédiate
Intoxication à H2S : Que faire ?• Peu de recommendation dans la litterature !
• Stopper l‟alimentation avec le substrat fautif riche en
protéines soufrées, repos
• Reprendre l‟alimentation prudemment avec un substrat
fortement fermentescible pour retrouver un rapport C/N
favorable = 30 :
production d‟acide
chute du pH
H2S est déplacé vers la phase gazeuse
Insufflation d‟O2 dans le biogaz
2 H2S + O2S2 + 2 H2O (fleur de soufre, élémentaire)
L‟Acetogenèse et l‟Acidogenèse reprennent
Perturbations du processus• Intoxication due aux AGV (Acidose, pH<7)
• Intoxication due à NH3 (NH4+ > 3kg/m3 dig.)
• Intoxication due à H2S (H2S > 50 mg/l dig.)
• Intoxication due à l‟O2 (O2 >0.1 mg/l dig.)
• Intoxication due aux métaux lourds
(Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd)
• Intoxication due aux antibiotiques/désinfectants etc…
– Que se passe-t-il ?
– Origine ?
– Comment les détecter ?
– Comment y remédier ?
Intoxication à O2
• Que se passe-t-il ?– O2 > 0.1 mg/l digestat
– Seul l‟Hydrolyse fonctionne bien
– Accumulation de monomères
• Origine– Introduction avec les substrats (pailles)
– Désulfurisation biologique (O2)
• Comment la détecter ?– Capteur O2 (biogaz)
– Nm3 Biogaz chute
– CH4 chute
• Comment y remédier ?– Substrats denses
– Contrôle de la désulfurisation biologique
Hydrolyse
Acidogénèse
Acetogénèse
Méthanogénèse
Perturbations du processus• Intoxication due aux AGV (Acidose, pH<7)
• Intoxication due à NH3 (NH4+ > 3kg/m3 dig.)
• Intoxication due à H2S (H2S > 50 mg/l dig.)
• Intoxication due à l‟O2 (O2 >0.1 mg/l dig.)
• Intoxication due aux métaux lourds
(Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd)
• Intoxication due aux antibiotiques/désinfectants etc…
– Que se passe-t-il ?
– Origine ?
– Comment les détecter ?
– Comment y remédier ?
Intoxication aux métaux lourds
• Que se passe-t-il ?– La méthanogenèse est inhibée
– Les autres phases fonctionnent
• Origine– Cu > 50 mg/l
– Zn > 150 mg/l
– Cr > 100 mg/l
• Comment la détecter ?– CH4 chute, AGV augmentent, pH chute = Acidose
– Dosage des métaux lourds en laboratoire
– ICP-MS (Inductively Coupled Plasma - MS)
• Comment y remédier ?– Eviter les substrats d‟origine inconnue
– NaHCO3
Hydrolyse
Acidogénèse
Acetogénèse
Méthanogénèse
Perturbations du processus• Intoxication due aux AGV (Acidose, pH<7)
• Intoxication due à NH3 (NH4+ > 3kg/m3 dig.)
• Intoxication due à H2S (H2S > 50 mg/l dig.)
• Intoxication due à l‟O2 (O2 >0.1 mg/l dig.)
• Intoxication due aux métaux lourds
(Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd)
• Intoxication due aux antibiotiques/désinfectants etc…
– Que se passe-t-il ?
– Origine ?
– Comment les détecter ?
– Comment y remédier ?
Hydrolyse
Acidogénèse
Acetogénèse
Intoxication aux AB désinfectants, etc…• Que se passe-t-il ?
– Acidogenèse et Acétogenèse inhibées
– Hydrolyse et Méthanogenèse fonctionnent
• Origine– Médication animale (mammite)
– Bactériostatiques (élevage porcin)
– Désinfectants (salle de traite)
– Poubelle “verte” (AB à usage humain)
• Comment la détecter ?– CH4 CO2 biogaz chutent (Acidose ou Intox NH3)
– Monomères augmentent
– Dosage des xénobiotiques en laboratoire
– HPLC
• Comment y remédier ?– Eviter les substrats d‟origine inconnue
– Séparer les animaux malades du troupeau
– Stockage 2-3 semaines, la plupart sont dégradés
Méthanogénèse
Substrat
à digestion
rapide
Acides
organiques CH4
CO2
1. Les substrats rapidement hydrolysés
Pomme de terre
Mélasse, Fruits
Céréales en grain
Bourbes, Racines
Biogaz
Rq: Même effet si on suralimente le digesteur
Substrats Production théorique
de biogaz
Nl/kg DOM CH4 (%) CO2 (%)
hydrates de carbone 746 50 50Lipides 1390 72 28Proteines 800 60 40
Composition théorique
de biogaz
Substrat
à digestion
« régulée » Acides
organiques
CH4
CO2
2. Les substrats hydrolysés « idéalement »
Cellulose
Ensilage de maïs et de céréales immatures, fumier
(apport en bactéries méthanogènes), …
Biogaz
Substrats Production théorique
de biogaz
Nl/kg DOM CH4 (%) CO2 (%)
hydrates de carbone 746 50 50Lipides 1390 72 28Proteines 800 60 40
Composition théorique
de biogaz
Substrat
à digestion
lente Acides
organiques
CH4
CO2
3. Les substrats lentement hydrolysés
et fortement méthanogènes
de part leur composition
Graisses (insolubles dans l‟eau)
Huiles
Boues de laiterie, fromagerie, chocolaterie Biogaz
Substrats Production théorique
de biogaz
Nl/kg DOM CH4 (%) CO2 (%)
hydrates de carbone 746 50 50Lipides 1390 72 28Proteines 800 60 40
Composition théorique
de biogaz
Protéines
Acides
organiques
CH4
CO2
4. Les substrats riches en protéines
fortement méthanogènes
Déchets d‟abattoire
Touteau de Colza
Protéines riches en Méthionine et Cystéine Biogaz
Si Excès NH3 et H2S
Substrats Production théorique
de biogaz
Nl/kg DOM CH4 (%) CO2 (%)
hydrates de carbone 746 50 50Lipides 1390 72 28Proteines 800 60 40
Composition théorique
de biogaz
Digestion en 2 étapes
• On surralimente l‟Hydrolyseur
• Production rapide et importante d‟Acides organiques
• Inhibition des Acétogènes et Méthanogènes
• Production de CO2 (80%) et d‟H2 (20%)
Ac org.
Hydrolyseur Méthaniseur
CO2 H2
H2S
CH4 =70%
• Dégradation de molécules récalcitrantes (ulvanes)
• Substrats fortement dégradables présentant un risque d‟acidose (fruits, légumes, racines, …)
• Fumier, ensilages
Diagnostic ?
Ration:
1500 kg/j de céréales
750 kg/j de contenu de pense de vache
750 kg/j graisses de flottation
Analyse du digestat:
FOS: 17.300 mg/l
TAC: 24.800 mg/l
FOS/TAC 0,70
pH 7,95
Ntot: 10 g/l
N-NH3: 7.9 g/l
Biogaz:
CH4: 58%
CO2: 41%
Faible production
Echantillon pH
AGV
totaux
en
mg/kg
de MS
Acide
acétique
en mg/kg
de MS
Acide
propionique
en mg/kg
de MS
Acide
isobutyriqu
e en mg/kg
de MS
Acide
butyrique
en mg/kg
de MS
Acide
isovalériqu
e en mg/kg
de MS
Acide
valérique
en mg/kg
de MS
Acide
caproïque
en mg/kg
de MS
Digesteur 1 7.9 17300 6206 10018 514 71 593 119 12
Digesteur 2 8.0 1597 187 1390 10 2 8 - -
Digesteur 3 8.1 1860 165 1671 14 1 9 - -
Diagnostic ?
Biogaz:
CH4: 48%
CO2: 50%
Faible production
Echantillon pH
AGV
totaux
en
mg/kg
de MS
Acide
acétique
en mg/kg
de MS
Acide
propionique
en mg/kg
de MS
Acide
isobutyrique
en mg/kg
de MS
Acide
butyrique
en mg/kg
de MS
Acide
isovalérique
en mg/kg
de MS
Acide
valérique
en mg/kg
de MS
Acide
caproïque
en mg/kg
de MS
Digesteur 5.5 14 883 5 050 2 327 270 3 693 540 1 428 1 575
Conclusions• Connaissance des substrats
• Suivi quotidien de la T°, CH4, CO2, H2S, O2, H2
• Suivi hebdomadaire du pouvoir tampon (TIC)
• Suivi NH3 si substrats à risques
• Isoler les effluents des animaux malades
• Attention aux métaux lourds sous forme soluble (Cu, Zn)
• Attention au sels (KCl, NaCl) STEP
• Attention aux cosmétiques (SiH4, siloxanes)
• Contrôle rapproché de l‟insuflation d‟O2
• Chaque digesteur est unique !
CH4
CO2
Merci !Références:
Dieter Deublein and Angelika Steinhauser. 2008. Biogas from
wastes and Renewable resources. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co
KGaA, Weinheim, Germany. 443 pp. (ISBN 978-3-527-31841-4)
Michael H. Gerardi. 2003. The microbiology of anaerobic
digesters. Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken,
New Jersey. 177 pp. (ISBN 0-471-20693-8)
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