Paramètres influençant la digestion anaérobie

Puisque la digestion anaérobie correspond à une suite et une interaction de réactions biologiques, certains paramètres environnementaux influencent les performances globales de la digestion anaérobie, qu’elle soit conduite en voie sèche ou humide. Ainsi, la température et le pH peuvent avoir une influence directe sur les microorganismes et leur activité, ce qui aura des conséquences sur la performance de la digestion anaérobie. De même, la composition de la communauté microbienne et le rapport de la quantité de substrat sur la quantité de microorganismes présents peuvent avoir un effet sur les performances.

Température

La température est un paramètre influant fortement la digestion anaérobie. En effet, la température va avoir une action sur l’activité des microorganismes, et par conséquence sur les vitesses des réactions biologiques et sur les voies métaboliques. L’optimum est à 35°C pour les microorganismes mésophiles et à 55°C pour les microorganismes thermophiles (Jha et al., 2011). La température de transition entre microorganismes mésophiles et thermophiles est de 42°C (Gerardi, 2003). La plupart des méthanogènes sont mésophiles et sont très sensibles aux variations soudaines de température (Chandra et al., 2012).

De plus, la température du procédé ne doit pas dépasser 60°C pour les microorganismes thermophiles et 40°C pour les mésophiles. En effet, ces températures correspondent aux optimums pour certains microorganismes présents dans la digestion anaérobie et un dépassement de ces températures limites provoque une baisse du rendement avec une diminution de la vitesse de dégradation des substrats (Ahring et al., 2001). A titre d’exemple, la production et la conversion du propionate sont stoppées lorsque la température passe de 55 à 65°C (Ahring et al., 2001). D’un point de vue plus général, lorsque la température augmente :

Ø La cinétique de l’étape d’hydrolyse est plus rapide, ce qui peut réduire les temps de séjour au sein du digesteur (Bouallagui et al., 2004). La cinétique d’hydrolyse est par exemple 2 fois plus importante en digestion anaérobie thermophile qu’en mésophile pour de la paille de blé en réacteur UASS, (Upflow Anaerobic Solid State) (Pohl et al., 2012). Elle est de même 5 à 6 fois plus importante pour la cellulose en conditions thermophiles (Bouallagui et al., 2004), grâce à l’augmentation des vitesses de dégradation selon la loi d’Arrhenius, à un meilleur abattement en matière organique (Bouallagui et al., 2004) et à une plus grande solubilité des composés hydrophobes (Angelidaki and Ellegaard, 2003). De plus, la vitesse de croissance des microorganismes est 27 à 60% plus efficace en digestion anaérobie thermophile (Fernández-Rodríguez et al., 2013).

Ø Cependant, la stabilité du réacteur sur le long terme diminue (Bernet and Buffière, 2008; Jha et al., 2011) car les microorganismes thermophiles sont plus sensibles aux variations des conditions environnementales (El-Mashad et al., 2004; Karthikeyan and Visvanathan, 2012). De plus, le risque de toxicité de l’ammoniac augmente, avec une augmentation de la concentration de la forme toxique indissocié (Angelidaki et al., 2003; Meena Krishania et al., 2013). La mortalité des microorganismes augmente également car ils ont besoin de plus d’énergie, ce qui va provoquer des problèmes de maintenance et la lyse des cellules (Ahring et al., 2001). Les microorganismes thermophiles sont également plus sensibles à l’accumulation d’acides gras à longues chaînes (Karthikeyan and Visvanathan, 2012).

Ø La concentration en AGVs augmente plus rapidement au début de la digestion anaérobie thermophile mais reste moins importante au total que pour une digestion anaérobie mésophile (Lu et al., 2007), surtout pour l’acétate (Shi et al., 2013). Cette différence est due au fait que les activités des microorganismes consommant l’acétate et le butyrate diminuent au cours du temps, avec une diminution de l’activité des méthanogènes acétoclastes (Ahring et al., 2001).

La digestion anaérobie peut aussi avoir lieu avec une température psychrophile (10-20°C) mais ce type de digestion est plutôt utilisée dans les digesteurs de type lagune ou en fosses, où le procédé n’est pas chauffé et la température dépend de la température extérieure (Chandra et al., 2012). La production de CH4 a lieu lorsque la température est proche de 20°C mais ce type de digestion anaérobie produit une plus faible quantité de biogaz pour un temps donné, et est donc beaucoup moins rentable (Pain et al., 1988).

pH

Un pH proche de la neutralité induit un fonctionnement optimal de l’ensemble de la chaîne trophique de la digestion anaérobie. Des variations de pH trop importantes peuvent avoir un effet négatif sur les microorganismes, notamment hydrolytiques (Veeken et al., 2000), ou encore sur la structure des communautés bactériennes (Sung and Liu, 2003).

Le pH a une influence prépondérante sur la phase d’hydrolyse. En effet, l’hydrolyse des molécules carbonées dépend du pH (plus importante pour un pH autour de 7-8) et diminue avec l’ajout

d’acétate. Cependant, le pH n’influence pas l’hydrolyse des molécules azotées alors que l’ajout d’acétate diminue leur hydrolyse (Lü et al., 2006).

Pour l’étape d’acidogenèse, le pH optimum se situe autour de 5,5 et 6,5 (Ward et al., 2008).

Les microorganismes fermentaires peuvent supporter un pH entre 4 et 8,5 (Hwang et al., 2004). Les méthanogènes sont très sensibles au pH, et possède une zone de fonctionnement pour un pH proche de la neutralité (entre 6 et 8) (Chandra et al., 2012; Meena Krishania et al., 2013) avec une baisse d’activité pour un pH inférieur à 6,6. Un pH inférieur à 6,2 est même considéré comme toxique pour les méthanogènes (Dague, 1968) .

Le pH varie en fonction de la composition en métabolites et en gaz dissous dans le milieu réactionnel. L’équilibre entre le CO2 dissous et les ions HCO3-correspond à l’alcalinité d’un milieu et apporte de la résistance au milieu contre des variations rapides du pH (Ward et al., 2008). Ainsi une accumulation de CO2 dans le ciel gazeux, en équilibre avec l’eau (HCO3-+H⁺ ↔ CO2, dissous + H2O), résulte en une augmentation du CO2 dissous sous la forme HCO3- (Ward et al., 2008) et entraine une baisse de pH. Le pH influence aussi le métabolisme (Ye et al., 2007) avec une variation des produits formés à pH 4 par rapport à pH 5-6. En effet, la production d’AGVs majoritaires par les microorganismes est le butyrate pour un pH acide et le propionate pour un pH basique. Outre l’effet direct du pH, la toxicité de différents composés présents dans le milieu réactionnel dépend aussi du pH. En effet, certains

La quantité des microorganismes et la structure de la communauté microbienne, apportées lors de l’inoculation et qui sont souvent exprimées par le rapport substrat/inoculum (S/X), ont une influence importante dans la digestion anaérobie en batch. En effet, avec un S/X élevé, c’est-à-dire une inoculation faible, l’activité hydrolytique est élevée par rapport aux étapes suivantes, ce qui peut être intéressant puisque l’hydrolyse est limitante pour la digestion anaérobie des solides (Fernández et al., 2008). Cependant, ces conditions peuvent amener à une acidification du milieu liée une accumulation transitoire d’AGVs et à une baisse du pH (Abbassi-Guendouz et al., 2012; Staley et al., 2011), provoquées par un déséquilibre entre les produits issus de l’acidogenèse (phase rapide) et les réactifs utilisés pour l’acétogenèse et la méthanogenèse (phases lentes).

A l’inverse, une inoculation importante implique un S/X faible, évitant ainsi l’acidification. Avec un S/X faible, les quantités de bactéries acétogènes et de méthanogènes sont suffisamment importantes pour éviter ce déséquilibre. Ainsi, la digestion anaérobie est plus performante avec une quantité d’inoculum plus importante (pour 30% d’inoculum au lieu de 20% (Montero et al., 2009)), et pour un S/X faible (c’est-à-dire un S/X de 2 plutôt que pour un S/X de 5 en voie sèche (Liew et al., 2012)). Cependant, l’influence du S/X n’est dominante qu’en début de digestion anaérobie, ce qui correspondrait au temps d’adaptation des microorganismes aux conditions du milieu (Motte et al.,

2013a). La température peut aussi avoir un effet cumulé avec le S/X sur la digestion anaérobie et plus particulièrement sur la production finale de biogaz. En effet, pour une digestion anaérobie en batch de cannes de maïs à 37°C, plus le S/X est faible, plus la production finale de biogaz est importante, avec une inhibition forte pour un S/X entre 4,58 et 7,41. A 55°C, pour un S/X de 2,43 à 4,58, la production finale de biogaz augmente et l’inhibition n’est visible que pour un ratio de 7,41 (Li et al., 2011).

La composition en microorganismes est aussi importante mais elle peut dépendre de nombreux facteurs comme l’origine de l’inoculum initial, la température et le pH. A titre d’exemple, la digestion anaérobie démarre plus rapidement avec 23% de méthanogènes en plus initialement (Montero et al., 2009).