Cazier, E.A, Trably, E., Steyer, J.P., Escudié, R., Hydrogen inhibition of dry anaerobic digestion of wheat straw. BiogasScience 2014, Vienna, 26-30 October 2014
Cazier, E.A, Trably, E., Steyer, J.P., Escudié, R., Role of gas accumulation in dry anaerobic digestion of wheat straws, AD14, Vina del Mar Chile, 15-18 November 2015
INTRODUCTION
De nombreux déchets sont produits par les activités humaines. Afin de limiter l’impact de cette production, le tri et la valorisation de ces déchets sont nécessaires. Les possibilités de traitement de ces déchets dépendent de leur nature et composition. Elles correspondent au stockage en Centre de Stockage de Déchets Non Dangereux (CSDND), à l’utilisation de la matière organique pour créer par exemple du papier (pour les déchets ligno-cellulosiques), à leur transformation en amendement organique par compostage ou encore en énergie par digestion anaérobie (méthane) ou par incinération. La digestion anaérobie permet la transformation, à l’aide de microorganismes, de la matière organique en énergie sous forme de biogaz, composé de CH4 et de CO2 et en matière sous forme d’un digestat qui peut être utilisé comme amendement organique en agriculture. Le biogaz produit peut être utilisé soit pour produire de l’électricité et de la chaleur par cogénération, soit en tant que biocarburant (en étant comprimé à 200 bars pour alimenter un véhicule), soit en étant injecté directement dans les canalisations de gaz naturel après purification.
Les résidus de cultures agricoles et d’élevages sont des déchets potentiellement utilisables en digestion anaérobie. Cependant, les résidus agricoles correspondent souvent à des déchets ligno-cellulosiques secs. Deux problématiques peuvent alors se poser : (1) les déchets ligno-ligno-cellulosiques sont composés de lignines, celluloses et hémicelluloses, qui forment une matrice difficile à hydrolyser par voie microbienne notamment par digestion anaérobie ; (2) vu leur teneur élevée en matières sèches, la digestion anaérobie par voie sèche semble être la technologie la mieux adaptée pour la valorisation de ces déchets puisque l’ajout d’eau est moins important qu’en voie humide. Cependant, les performances de la digestion anaérobie par voie sèche restent moins élevées. La digestion anaérobie par voie sèche est généralement définie par une teneur de matières sèches (MS) supérieure à 15%, et elle présente de nombreux avantages mais aussi certaines limitations opérationnelles par rapport à la digestion anaérobie par voie humide. Au niveau industriel, la digestion anaérobie par voie sèche s’est développée de manière relativement empirique avec un certain manque de connaissances sur son fonctionnement et ses limites.
En digestion anaérobie par voie sèche, la diminution de la quantité d’eau disponible dans le milieu amène à la diminution du transport diffusif des molécules dissoutes qui est généralement le mécanisme de transport prépondérant dans ces systèmes. Des observations à la fois expérimentales et numériques ont préalablement amené à des hypothèses de fonctionnement spécifiques de la digestion anaérobie par voie sèche. Ainsi, des gradients de concentration des molécules produites lors de l’hydrolyse, comme par exemple des gaz dissous et/ou des AGVs, pourraient résulter de la limitation de leur transport. Ceci pourrait conduire à des conditions hétérogènes comportant différentes zones de réactions et de microorganismes selon les conditions opératoires. Ainsi, des niches de méthanisation, avec un pH neutre et une concentration faible en AGVs pourraient être entourées de niches où l’hydrolyse et l’acidification sont localement plus importantes avec une concentration en AGVs beaucoup plus élevée et un pH plus faible (Martin, 2001; Staley et al., 2011). Dans ces modèles, le transfert de matière joue un rôle important, puisqu’il correspond à la force motrice liée aux gradients de concentration de composés dissous. De plus, le transfert interfacial gaz-liquide peut devenir limitant au-delà de 30% de MS, ce qui va augmenter la concentration en gaz dissous du milieu.
Cette thèse a pour ambition d’étudier le rôle des gaz dissous sur les différentes étapes de la digestion anaérobie par voie sèche. Cette étude relie les effets des gaz dissous à l’échelle microscopique (correspondant à l’effet local des gaz dissous sur les performances de la digestion anaérobie, sans l’effet du transfert de matière) jusqu’à leurs effets à l’échelle macroscopique (correspondant à l’effet global des gaz dissous sur les performances de la digestion anaérobie, en prenant en compte l’effet du transfert de matière). Jusqu’à présent, les limites d’inhibition par les sous-produits microbiens, notamment les gaz dissous, ont été le plus souvent déterminées lors d’études sur la digestion anaérobie en voie humide. Identifier le rôle des gaz dissous (H2 et CO2) sur la digestion anaérobie en voie sèche était donc nécessaire.
La structure de la présente thèse est centrée sur l’échelle des observations. Ainsi, le premier chapitre des résultats de ce doctorat porte sur une étude de l’impact des gaz dissous sur la digestion anaérobie par voie sèche à l’échelle microscopique, en étudiant plus précisément les effets inhibiteurs au niveau local de l’hydrogène et du dioxyde de carbone sur la digestion anaérobie et en réduisant le transport diffusif (expérimentation avec une épaisseur de milieu inférieure au cm). Le deuxième chapitre de résultats porte sur une étude de la digestion anaérobie par voie sèche à l’échelle mésoscopique. Le rôle des gaz dissous dans une situation plus réelle (avec en plus les effets du transport diffusif et du transfert interfacial gaz-liquide) durant la digestion anaérobie par voie sèche a alors été étudié. Ainsi, une première expérience a été réalisée afin de tester si une graduation des métabolites et des microorganismes se mettaient en place lors de la digestion anaérobie en présence d’un transport diffusif présent et d’un transfert interfacial gaz-liquide limitant, puis si une surconcentration en gaz dissous avait un effet sur les performances à l’échelle mésoscopique.
Ce manuscrit comporte une introduction, une synthèse bibliographique permettant de positionner les objectifs de la thèse dans leur contexte scientifique, une présentation du matériel et méthodes, deux chapitres de résultats et de discussions aux différentes échelles, puis une conclusion générale.
Les résultats de ce travail sont présentés sous la forme d’articles scientifiques. Chaque chapitre est donc composé d’un ou deux articles en anglais dont le texte et les figures respectent le format de leur soumission, ainsi qu’un sous-chapitre en français pour des résultats en attente de soumission.
Pour faciliter la lecture, chaque chapitre est introduit d’un avant-propos, puis approfondi par une discussion en français. De plus, chaque article en anglais est introduit par un avant-propos puis suivi par un résumé en français des résultats majeurs de l’article.
Ces recherches ont été réalisées au Laboratoire de Biotechnologie de l’Environnement de l’INRA de Narbonne. La thèse s’intègre principalement au sein de l’objet thématique MaXIP (Matières compleXes et Ingénierie des bioProcédés), avec toutefois des échanges importants avec l’objet thématique DIEM (Diversité et Ingénierie des Ecosystèmes Microbiens). Son financement a été assuré conjointement par l’Agence de l’Environnement du Maîtrise de l’Energie (ADEME) et le département Environnement et Agronomie (EA) de l’Institut National de la Recherche Agronomique (INRA).