3.1. Biodégradabilité et potentiel méthanogène
Les analyses statistiques réalisées par la suite utilisent les données issues des campagnes de caractérisation effectuées dans le cadre de cette étude (données en Table 23,
Sang de bovins (1) 1 Graisses de flottation (1) 2 Refus de tamisage (1) 3 Matières stercoraires (1) 4 Fumier de bovins (1) 5 Refus de tamisage (2) 6 Soies de porc (2) 7 Graisses de flottation (2) 8 Boues biologiques (2) 9 Graisses de flottation (4) 16 Déchets de viande (4) 17
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annexe 2) complétées par des données bibliographiques issues de Buffière et al. (2009), Labatut et al. (2010), Amon et al. (2007) et Vedrenne et al. (2008) (Résumé des données en Table23, annexe 2).
Le potentiel méthanogène d’un substrat est la résultante de la biodégradabilité de la matière organique et de la composition biochimique (lipides-protéines-carbohydrates) de la matière organique dégradée. Pour autant, une analyse statistique (régression multiple) a montré que sur les données étudiées, la composition biochimique de la matière organique totale (lipides, protéines, carbohydrates) des substrats permet d’expliquer uniquement 75.3%
de la variabilité des potentiels méthanogènes. Ce qui signifie que les 24.7% de variabilité restants sont liés aux spécificités biochimiques de la matière organique dégradée par rapport à la matière organique totale ainsi qu’à des facteurs de biodégradabilité qui ne sont pas liés au fractionnement biochimique de la matière organique des substrats.
Buffière et al. (2006 & 2008a) ont identifié une corrélation entre biodégradabilité des substrats et leur teneur en lignine et en cellulose (fractionnement Van Soest) en utilisant des données sur des substrats diversifiés (fruits et légumes, fumiers, fraction fermentescible des ordures ménagères, …). Ces résultats ont été obtenus en conditions thermophiles :
Biodégradabilité (%DCO) = 0,87 – 1,06 (%Lignine + % Cellulose)
Equation 3 : Corrélation entre biodégradabilité et teneur en lignine + cellulose des substrats.
Dans notre cas, comme le montre la Figure 31, cette corrélation ne permet pas de prédire de manière satisfaisante la biodégradabilité des substrats étudiés. En effet, le fractionnement de type « Van Soest » de la matière organique ne permet d’expliquer que 19.7% de la variabilité de la biodégradabilité (obtenu par régression multiple entre la biodégradabilité de la DCO et les fractions « Van Soest » de la matière organique de chaque substrat).
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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 10 20 30 40 50 60 70
ADF (%MO)
Biodégradabilité de la DCO (%)
Données expérimentales Données Buffière et al. (2009) Données Rodrigo et al. (2010) Données Vedrenne et al. (2008) Données Amon et al. (2007) Corrélation Buffière et al. (2006)
Figure 31: Représentation graphique de la biodégradabilité de chaque substrat (% de la DCO) en fonction de la fraction "Van Soest" ADF organique (Lignine + cellulose).
On peut se demander pourquoi, malgré le fait que la régression fonctionne sur les données issues de Buffière et al. (2009), Labatut et al. (2010) et Amon et al. (2007), cette régression ne semble pas s’appliquer aux substrats de cette étude de manière directe même si visuellement, l’augmentation de la teneur en composés ligno-cellulosiques tend à diminuer la biodégradabilité des produits. Plusieurs hypothèses peuvent expliquer ceci :
Des incertitudes analytiques liées à l’analyse de la DCO ou au fractionnement « Van Soest ». En particulier, la mesure de la DCO totale sur des substrats solides ou graisseux peut s’avérer délicate et influencer la mesure de la biodégradabilité (Buffière et al. 2008b).
Des incertitudes sur la mesure des potentiels méthanogènes qui peuvent être liées à des préparations différentes des échantillons (broyage, hachage, …).
Une inadéquation entre le fractionnement « Van Soest » et la biodégradabilité des substrats étudiés dans notre étude. En effet, la composition biochimique des substrats étudiés semble plus diversifiée que ceux utilisés dans l’étude menée par Buffière et al.
(2008) qui sont, en général, majoritairement composés de carbohydrates.
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Il paraît donc difficile de prédire efficacement et simplement la biodégradabilité des substrats en fonction du fractionnement « Van Soest ». De plus, pour passer à la prédiction du potentiel méthanogène, une analyse des différentes fractions biochimiques est nécessaire.
Ainsi, de nombreuses analyses chronophages et coûteuses sont nécessaires pour une prédiction présentant une marge d’erreur importante. L’intérêt de telles méthodes en dehors du contexte scientifique se pose alors face à l’incertitude engendrée ainsi qu’au coût et à la durée d’une analyse de potentiel méthanogène.
3.2. Prédiction de la composition du biogaz
En effectuant une régression multiple entre la teneur en méthane du biogaz et la composition biochimique de la MO des substrats, on obtient un modèle (%CH4 = 53.5767 + 0.247668*%Lipidesdans la MO + 0.166542*%Protéinesdans la MO)qui parvient à représenter 83%
de la variabilité de la teneur en méthane. Ainsi, selon ce modèle, on obtiendrait les teneurs en méthane suivantes pour des substrats composés d’une seule fraction biochimique :
54% de CH4 pour un substrat composé exclusivement de carbohydrates 70% de CH4 pour un substrat composé exclusivement de protéines 78% de CH4 pour un substrat composé exclusivement de lipides
Une représentation graphique de la prédiction de la teneur en méthane du biogaz produit en fonction de la composition biochimique des substrats est présentée en Figure 32.
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Teneur en lipides (% de la MO)
Teneur en protéines (% de la MO)
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60 80
100 Fonction
53.0 58.0 63.0 68.0 73.0 78.0 83.0
Figure 32 : Estimation de la teneur en méthane du biogaz en fonction de la composition biochimique de la MO des substrats.
Teneur en carbohydrates (%MO) =100-teneur en protéines (%MO) - teneur en lipides (%MO)
Ces différences s’expliquent par les différences dans la composition élémentaire de la matière organique de chaque fraction biochimique qui pilote les équilibres stœchiométriques entre le méthane et le dioxyde de carbone produits. Ainsi, Symons & Buswell (1933) ont établi la formule théorique suivante de production de méthane et de dioxyde de carbone en fonction de la formule brute de la matière organique dégradée :
En considérant la composition chimique de substrats « modèles » correspondant à chaque fraction biochimique, on obtient :
50% de méthane dans le biogaz produit à partir de carbohydrates (calculé sur le glucose)
59% de méthane dans le biogaz produit à partir de protéines (calculé sur la caséine) 75% de méthane dans le biogaz produit à partir de lipides (calculé sur les AGLC)
0%
20%
40%
60%
80%
Teneur en carbohydrates (% de la MO)
Teneur en méthane du biogaz (%)
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Ces données théoriques et la prédiction de la composition du biogaz qui leur sont relatives (présentée en Figure 33) sont proches des données prédites par le modèle développé dans cette étude (Figure 32) et accrédite le lien entre composition biochimique et teneur en méthane du biogaz, même si un biais est introduit par le fait que toutes les fractions biochimiques ne présentent pas la même biodégradabilité dans le substrat.
Teneur en lipides (%MO)
Figure 33 : Estimation théorique de la teneur en méthane du biogaz en fonction de la composition biochimique de la MO des substrats.
Teneur en carbohydrates (%MO) =100-teneur en protéines (%MO) - teneur en lipides (%MO)