Fermentation méthanique des résidus de transformation du manioc. Synthèse des résultats

Ce Jw.ppo!Lt e6Z nétllgé à la ·mémo.vie de Mel.te ClttiJLe SEGRETAIN, zhé~~de ORSTOM

déeédée deli ~ui:f:.e)., d'un aecJ.denZ à

Bnazzav,{,Lte en Nov(!Jnbne 1981, eZ qu,L a

1 •

1 - PRESENTATION GENERALE

Les déchets de transformation du manioc sont es senti el 1 ement représentés par les épluchures, collets et jus de pressage après décantation •. La méthani_. sation de ces sous-produits est particulièrement intéressante puisqu'elle permet de oroduire, d •une part, l 1énerqie nécessaire à la transformation mécanique du

manioc (biooaz), et d'autre part un amendement orqanique restituable au niveau de la culture du manioc (compost). Le procédé Transoaille mis au point et breveté par 1 1 IRAT /CIRAD est ·particulièrement adapté à ce type de déchet sol ide et hétérogène.

Pour mener à bien les expérimentations, 1 'équipe IRAT/CIRAD-ORSTOM dispose d'un fermenteur Transpaille de laboratoire à l 10RSTOM BRAZZAVILLE, et d'un pilote industriel sur·l 1unité de transformation du manioc de Oavié au Togo (HIPT/ CEEMAT/GAUTHIER).

2 CARACTERISTIQUES DES SOUS-PRODUITS DE TRANSFORMATION DU MANIOC ET OBJECTIFS DE RECHERCHES

Les sous-produits sont essentiellemPnt représentés par 1les déchets

d'éplu-chage de consistance solide, mais humides (70 %) et riches en amidon (jusqu'à 80 %). Ces déchets reorésentent 20 à 30 %.de la racine fraîche selon la qualité de l 1épl uchage. La composition moyenne des épluchures de manioc est la suivante (en % de la matière sèche) :

matière sèche (MS) 25 à 30 %, matière orqanique (MO) 90 à 99 %,

carbone total 35 à 40 %, amidon 65 à 85 %, fibres

.

.

cellulose 6 à 9 %, hemicell ul ose 7 à 15 %, lionine 4 à 7 % - matière min~rale (en moy.) N 0,75 %, p _{0,12 %} K 0,85 %.

Le cyanure, qui peut atteindre une concentration de 500 mg/kg de matière fraîche, est présent sous la forme de 2 olucosides oroanooéniques : la linamarine et 1 a l antostral i ne. Par rapport à 1 a fermentation méthani que des déchets de transformation du manioc, le caractère spécifique de la composition des déchets pose 3 problèmes principaux :

1/ forte teneur en amidon, dont l 1hydrolyse très rapide peut induire une acidification, et par conséquent un déséquilibre des phases de fermentation ;

2/ Très faible teneur en éléments minéraux, et surtout déséquilibre du rapport C/N dû à une très faible teneur en azote des déchets ;

3/ Présence de composés oroanooéniques susceptibles de libérer du cyanure toxique, surtout au niveau des bactéries méthanooènes.

2.

Par rapport â ces 3 problèmes immédiats, les éléments de réponse, qui sont à confirmer par les différents essais menés dans le cadre du programme, sont les suivants

1/ l'hydrolyse très rapide, induisant une toxicité par les produits inter-médiaires (acidification), doit conduire â utiliser plus particulièrement des

fermenteurs de type 11

pi ston11

ou mul ti étaaes ;

2/ la faible teneur en azote nécessitera un complément sous forme d'autres résidus valorisables, ou d'apports minéraux directs. On signalera la possibilité~

dans le ~as de la technologie Transpaille, d'une teneur en azote suffisante dans le jus de fermentation par concentration des éléments solubles. Cette particula-rité spécifique au procédé, le jus de fermentation étant permanent, permettrait d'éviter les compléments azotés ;

3/ les bactéries rnéthanogènes sont sensibles â de très faibles concentra-tions de cyanure, cependant certaines bactéries sulfata réductrices sont capables d'assimiler, et donc de détoxifier le cyanure, par 1 'intermédiaire d'une enzyme: la rhodanèse. D'autre part, la complexation du cyanure est possible sous certaines conditions physico-chimiques.

Sur le plan théorique, l 1étude des équilibres réactionnels montre que le potentiel de production de biogaz â partir des épluchures de manioc, â haute teneur en amidon serait voisin de 630 l biogaz/kg· MS. Dans premier temps, le procédé Transpaille a été choisi pour vérifier les hypothèses~ tant au niveau laboratoire (Conao) que pilote industriel (Togo). ,

Les objectifs de recherche se si tuent d 1 abord au niveau fondamental par rapport aux problèmes précédemment énoncés :

- caractérisation précise du substrat ;

- étude du comportement et de la transformation du cyanure et des composés cyanogéniques au cours 'de la digestion anaérobie ;

- étude des cinétiques de biodégradation, bilans de conversion;

- optimisation du processus sur fermenteur Transpaille de laboratoire. Les objectifs concernent éaalement, le développement de la filière complète méthanisation biogaz-compost :

- optimisation de la filière sur pilote industriel intéoré dans une unité de transformation du manioc,

- caractérisation des produits de fermentation, et définition des condi-tions optimales de leur utilisation ; substitution des énergies fossiles conven-tionnelles (pétrole, gaz) et valeur aqronomique du compost.

3.

3 - PREMIERS RESULTATS EN

L~BORATOIRE

(CONGO)

Le fermenteur Transpaill e de laboratoire a une capacité utîl e de 128 1. Il a été démarré en Juin 1986 avec un mél anoe de contenus de panse, de paille et d'épluchures de manioc. Le démarrage de· la fermentatî on s'est effectué dans de bonnes conditions (cf. figure 1). La productivité en biogaz augmente rapidement à partir du lOème jour, le pH est stable et la teneur en méthane du biogaz est

voisine de 60 % au 50ème jour. ·

En réqime stabilisé de fermentation, un test a été effectué avec une charge constante sur 55 jours (figure 2), les paramètres et résultats de ce test sont les suivants : charge fermenteur constitution de la charge temps de séjour productivité biogaz rendement biogaz - teneur en CH4 3,83 kg MS/m3 fermenteur.j, 100 % épluchures de manioc, voisin de 30 jours, 1,64 m3/m3· fermenteur.j, 428 l/kq MS : 65 %

Les résultats sont très positifs, et bien super1eurs à ceux généralement admis dans les fermenteurs de type infiniment mélangés. Le régime d'écoulement de type "piston" dans le fermenteur Transpaille favorise l'élimination des composés intermédiaire et intensifie le taux de déoradation des déchets. Les essais se poursuivent avec des charges plus importantës (de l'ordre de 5 kg MS/m3 fermen-teur.j) qui devraient augmenter encore la productivité en bioqaz. ·

A partir des premiers résultats obtenus au cours de la période stable de fermentation, on peut calculer les rendements suivants :

hypothèse soit

428 1 .biogaz/kg MS épluchures manioc; 128 1 .biogaz/kg épluchures fraîches;

32 à 38 1 .bioqaz/kg racines de manioc brutes (fonction du rendement d'épluchage).

4 - PREMIERS RESULTATS SUR PILOTE INDUSTRIEL AU TOGO

Le pilote industriel Transpaille installé à Davié a une capacité utile de 10 m3. L'installation complète comprend en plus le stockaoe du biogaz (30 m3), le groupe électrogène dual fuel/biogaz et les fosses de finition du compost. Le groupe êlectroqène alimente en électricité 1 'unité de transformation du manioc.

41 - Production de biogaz et de compost

L'installation a été démarrée en Mai 1986, et fonctionne en continu depuis cette date, avec un réoime dépendant d·e l'exploitation de l'unité de transforma-tion du manioc. Les conditransforma-tions d'approvisionnement en manioc ayant été peu favo-rables en 1986 et 1987, le fermenteur n'a fonctionné qu'à 20 % de sa capacité. En réoime continu d'alimentation, les résultats sont cependant très comparables à ceux obtenus en laboratoire (fioure 3) :

FIG 1: FERMENTEUR TRANSPAILLE DE LABORATOIRE (120 L)

ORSTOM/DGRST CONGO - DEMARRAGE DE LA FERMENTATION.

1.8

T

Pro(ju c1ivité

+

bi og<JZ

LS

(M3/M~.J)

1.4

1.2

1

0.8

0.6

0.4

0.2

Problémes

de

ré~ul<Jtion

de

tem

pér<Jture

Jours

' 1 1 O ~

.,

.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 t r 1 1 r 1 r 1 1 1 r 1 1 1 1 1 1 1 t 1 1 1 1 r 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 t 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 t 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 t 1 1 1 1 1 1 t 1 1 1 1 1 1 1 1

0

9

19

29

39

49

59

69

79

89

99

1 09

11 9

CARACTERISTIQUES:

- inn ocul um: contenu

de

rumen (bovin)

- 90%

épluchure~

m<Jnioc et

10% pQille,

chQ~e

moyenne ;;

·2.3 kgMS/m3.J

- Teneur en CH4; 60%

<J

u 90ém e

Jour

...

...

!

.

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..

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....

~ : \ ~ _,·. ... -" 1 ~ """'

.

FIG 2: FERMENTEUR TRANSPAILLE DE LABORATOIRE (120 L)

ORSTOM/DGRST CONGO - REGIME STABILISE

2.5

T

Productivité

bi

og<lZ

(M3/M3.J)

2'

1.5

1

0.5

Jours

0

1 1 1 1 1 1 i 1 1 1 i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1

10

20

34

44

54

CARACTERISTIQUES:

-

1 OO%

é

plu chu res m<J ni oc. ch <J

ry

e m oy en ne ;;;; 3 .83 kg MS/ m 3

.J

- régime st<Jbilisi; coeff. directeur de Io droite de tendtJnce voisin de 0

- productivité m oyenn

eh ;;;;

1.64

+0.1

6

m3

/m3.J

1 • ,•

-.

..

.

:

~~ 1 • • , ... ! . '.·· .

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t~.x~{-:

f'.:-/l:'.;:{

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.

FIG 3 : PERIODE ·DE PRODUCTION - PILOTE TRANSPAILLE

DE 10 M3 AU TOGO - MAI A SEPTEMBRE 1987

10r

Ch4J~e

(kg MS /M 3.J)

Productivité

î

0.8

biogQZ

s

6

4

2

(M3/M3.J)

t

O. 7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

·0.1

0

119 W! 1 1 1 1 1 WRW RI 1 1 1 1 1 1 1 9 W

0

13/05

14/07

_{17 /09}

CARACTE:RISTI

au

ES;.

- 65%

épluchures mQnioc

et

35%

pQille, chQrge moyenne •

0.95 kgMS/m3.J

- régime

non

stQbilisé; chQrge journQlière

tris

vCJriQble de

0

à

2.95 kgMS/M3.J

- productivité moyenne -

o·,42

+0.07

m3/m3.J '

' r ; \ ! •;

..

.

..

' -t .. ,...l ~-··.: ·. ,., .. ' ' ~.

r'

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t ~ . , .... ! . ~-~ .• '... ... -. ~ •• 1 .. '

...

°'

.

charge fermenteur 0 à 2,95 kg MS/m3 fermenteur.j, moyenne 0,95 kg MS/m3 ferm.j. - constitution de la charoe 35 % paille

65 % épluchures manioc, - temps de séjour voisin de 35 jours,

productivité biogaz 0,42 m3/m3 ferm. j rendement biogaz 442 l/kq MS,

teneur en CH4 60 à 65 %

r.

Le rendement biogaz est similaire à celui obtenu en laboratoire,avec une charge 4 fois inférieure.

Au cours de la période de production de l'unité de transformation, le fermenteur Transpaille a traité 0,5 tonnes de paille et de résidus lionocellulo-si ques èt 2, 7 tonnes d 1 _{épluchures de manioc fraîches. La production de biogaz}

totale sur la période a été de 543 m3.

Après fermentation, le mélanoe d'épluchures de manioc et de paille constitue un effluent qui est évacué· et mis en finition dans 2 fosses de 4 m3. L'humidité de 1 'effluent de fermentation est de 1 'ordre de 80 % après égouttage, ce qui favorise le compostage final, surtout en saison sèche.

Au cours du processus global "~tmentation anaérobie+ compostage aérobie", le mélangP subit diverses transformations physico-chimiques. Des analyses ont été effectuées à différents stades ; les moyennes sont données dans le tableau 1 :

S.

tableau 1 : Evolution de 1 a composition des déchets au cours du processus ql obal.

S U B S T R A T effluent compost compost

CONSTITUANTS aérobie aérobie

épluchures Paille fermenteur 3 mois 8 mois de manioc

Matière sèche

(MS} en % 34 84 20

-

25,5

Carbone non mesure

..

C. en % MS 38,4 env. 45 % 35,3 26,6 25,7

Azote total non mesure

..

N. en % MS 0, 77 env. 1,2 % 1,56 1,91 2,03 C/N 49,9 env. 37~5 22,6 13,9 12,7 Potassium K en % MS 0,84

-

1,12 0,94 0,31 Calcium Ca en % MS 0,37

-

1,36 1,57 1,46 Phosphore p en % MS 0,12

-

0,34 0,56 0,62 Capaci. d1 échanqe cationique CEC 12,5

-

61,6 70,0 61,9 en meq./100 g

Par rapport au substrat de départ, constitué du mélange paille/épluchures de manioc, on peut constater :

- une chute importante du rapport C/N, de près de 50 % après fermentation anaérobie et 70 % au cours du processus olobal

- une auomentation importante de 1 a capacité d 1

échanqe cationi que ( CEC) après férrnentation anaérobie ;

une évolution peu importante du compost après 3 mois de compostage aérobie.

Les pertes nettes en potassium peuvent être attibuées au lessivaae dans les fosses de finition, tandis que le aain en calcium provient de 11_{eau très calcaire}

utilisée pour le maintien à niveau du fermenteur.

Des analyses complémentaires et surtout des essais aaronomiques permettront d'en évaluer plus précisément les potentialités.

9.

4.2. Utilisation du biogaz

L'unité de Davié est alimentée en éneroie électrique à partir d'un groupe

électroq~ne dual fuel/bioqaz de~9 KVA. Ce qro~pe alimente les divers ateliers de

1 'unité ; qui fonctionnent alternativement - râpaoe oressage/émiettage cuiseur continu laboratoire, éclairage 4 KWe 2,8 KWe 0,9 KWe (0,9 KWe) Le cuiseur continu n1

étant pas encore fonctionnel et en cours de mise au point, des mesures ont été effectuées sur les ateliers .. 11

râpage11

et "pressage/ émiettaqe11

, en comparant 1 es consommations de fuel en alimentation fuel seul ou fuel/biogaz. Les résultats sont les suivants et sont schématisés figure n°4 et 5.

Râpage • débit nominal

consommation 100 % fuel consommation dual/fuel avec débit biog~z

économie fuel Pressage/emiettage : débit nominal

consommation· 100 % fuel consommation dual fuel avec débit biogaz

êconomi e fuel

2 t/h racines épluchées (r.e) 0,95 l/t.r.e 0,53 l/t.r.e 2,9 m3/h 0,42 l/t.r.e soit 44 % 180 kg/h pulpe (p.) 7,5 l/t.p 4,0 l/t.p 2,4 m3/h 3,5 l/t.p. ·SOit 46,5 %

Ces essais ont été réalisés à petit débit d'alimentation biogaz. Une 2ème ser1e d'essais sera menée avec des débits respectifs de 4 et 3 m3/h en râpage et pressage/émiettage, ce qui devrait passer les économies à environ 65 %.

La cuisson de la farine de manioc, effectuée dans des cuiseurs tradition-nels est consommatrice d'énergie thermique. Les 2 combustibles employés sur 1 'unité de Davié sont le bois et le butane. Des essais visant à mettre au point un cuiseur alimenté au biogaz ont été réalisés ; les premiers résultats sont les suivants.

- 176 1. biogaz/kg pulpe à cuire, - 335 1. biogaz/kg oari cuit,

30, Consomm<Jtion

fuel (l/h)

0

l

25

1

'

'

20

0

-1

15

10

5

FIG 5 : CONSOMMATION EN FUEL DU

PRESS E/E M 1

ETT EU R

Mode d'alimentation fuel et

f

u el/biogaz

•

FUEL/BIOGAZ

.

0

_{FUEL SEUL}

.

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o.os

0.13

.

o.

18

Débit (tonne:i/h)

-. Q ,.

FIG 4 ; CONSOMMATION EN FUEL DE LA RAPE A MANIOC

Mode d'alimentation fuel seul et fuel/biogaz

2ÎConsommotion fuel

(l./tonne roc. epl.)

1.8

0

1. 6

1.4

1.2

1

1

T

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0.6

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2-0

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1

1.2

1.4

1.6

- 1.8

-2

2.2

2.4

2.6

Débit" rope {ton ne roc. epl./h.)

;

'.

._. ._.

.

12.

5 - CONCLUSION

Les essais menés en 1 aboratoire au Congo démontrent des potentialités importantes de production de biooaz à partir des épluchures de manioc. Ces essais doivent être poursuivis afin de définir les limites de fonctionnement du

fermen-teur et la charge maximale admissible.

Au Togo, les .résultats obtenus sur 1 'installation pilote industrielle confirment ceux du laboratoire au niveau de la fermentation, et montrent que des économies importantes de fuel et de butane sont possibles pour la transformation mécanisée du manioc en qari.

Les résultats définitifs des travaux permettront de dimensionner prec1se-ment les ferprec1se-menteurs Transpaille et de définir le taux de rentabilité.de cet

investissement par rapport aux économies réalisées. En première approche, on peut prévoir un taux d'autonomie énergétique proche de 90 i pour la transformation mécanisée du manioc en qari.