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Microbiologie de la digestion anarobie 1

COMPTE RENDU DE LA PRSENTATION DE PHILIPPE DELFOSSE (CENTRE DE RECHERCHE PUBLIC GABRIEL LIPPMANN)

M I C R O B I O L O G I E D E L A D I G E S T I O N A N A E R O BI E

La prsentation de Philippe Delfosse intervient dans le cadre de la rencontre du 10 et 11 fvrier 2010 organise par lAssociation des Agriculteurs Mthaniseurs de France.

Philippe Delfosse est chercheur au Centre de Recherche Public Gabriel Lippmann au Luxembourg dans le laboratoire environnement et agro-biotechnologies. Il travaille principalement sur la mthanisation et plus particulirement sur les ractions biologiques mises en jeu lors de la digestion anarobie. Au travers de cet expos intitul Microbiologie de la digestion anarobie, il va nous prsenter dans un premier temps les principes biologiques de la digestion anarobie. Dans un second temps, il abordera une partie plus pratique en prsentant les bonnes pratiques mettre en place pour assurer une mthanisation stable.

LA THEORIE DE LA METHANISATION (DIGESTION ANAEROBIE)

La mthanisation est un processus biologique naturel qui permet de convertir la matire organique (glucides, lipides, protines) en lments simples (CH4, CO2, NH3 et H2S) grce laction de bactries anarobies. Cette digestion anarobie, processus biologique complexe, peut tre dcrit en quatre phases de dgradation : lhydrolyse, lacidognse, lactognse et la mthanognse. Chaque phase fait intervenir un groupe de bactries particulires (figure 1). Toutes les molcules qui ne seront pas dgrades par cette voie pour produire du biogaz (lignine par exemple) et les dchets de ces ractions anarobies composeront le digestat.

FIGURE 1 :SCHEMA RECAPITULATIF DE LA METHANISATION


Chaque groupe de bactries possde des caractristiques spcifiques (pH, temprature, sensibilit { des composs particuliers). Nous allons prsenter rapidement les proprits des populations bactriennes de chacune des phases de la mthanisation.

LHYDROLYSE

Les bactries hydrolytiques dgradent la matire organique fraiche (les polymres) en fragments solubles (monomres). Ces bactries produisent des exo-enzymes qui vont dgrader les polymres de la matire organique. Les vitesses de dgradation dpendent des substrats. (figure 2).

Ainsi il est important de bien brasser le milieu afin dhomogniser la solution et doptimiser lhydrolyse. Cette tape est fondamentale pour la suite de la raction car elle permet de fractionner la matire organique et donc de faciliter laction des bactries qui interviennent par la suite.

TABLEAU 1 : CARACTERISTIQUES DES BACTERIES HYDROLYTIQUES

Bactries hydrolytiques

caractristiques bactries relativement rsistantes, tolrantes O2,

production dexo-enzymes gamme de pH optimal [4,5 6,3]

temps de division quelques heures (reproduction rapide) sensibilit lignine (pas dgradable, ralenti la raction)

LACIDOGENESE

Les bactries acidognes dgradent les molcules simples de matire organique (monomres) en acides et en alcools. Les acides synthtiss sont des Acides Gras Volatils (AGV). Ces AGV sont des acides avec une chaine carbone plus ou moins longue (de 2 10 atomes de carbone en gnral).

TABLEAU 2 : CARACTERISTIQUES DES BACTERIES ACIDOGENES

Bactries acidognes

caractristiques bactries sensibles O2, participent en gnral

galement { lhydrolyse gamme de pH optimal [4,5 6,3]

temps de division quelques heures (reproduction rapide) sensibilit H2S, NH3, sels, antibiotiques

FIGURE 2 : VITESSE DE DEGRADATION PAR LES BACTERIES HYDROLYTIQUES EN FONTION DU SUBSTRAT


LACETOGENESE

Les bactries actognes vont transformer les AGV en acide actique (CH3-COOH) et en H2 et CO2. Ces molcules vont ensuite servir de substrat aux bactries mthanognes. Les bactries actognes produisent de lH2 mais leur activit est inhibe par un excs de H2 dans le milieu. Ainsi, la symbiose de ces bactries avec les bactries consommatrices dH2 (mthanognes notamment) est indispensable pour garantir une bonne activit bactrienne dans le digesteur. Les actognes et les mthanognes vivent fixes les unes aux autres, une agitation rapide risque de dtruire ce lien do la recommandation dun brassage lent.

TABLEAU 3 : CARACTERISTIQUES DES BACTERIES ACETOGENES

Bactries actognes

caractristiques bactries relativement fragiles, sensibles O2,

production de H2 gamme de pH optimal [6,8 7,5]

temps de division quelques jours (1-4 jours ; reproduction lente)

sensibilit H2 en excs, H2S, NH3, sels, antibiotiques, variations de

temprature

LA METHANOGENESE

La mthanognse constitue la dernire tape de dgradation anarobie de la matire organique. Les microorganismes qui ralisent cette tape sont des archaebactries, microorganismes proches des bactries, on les appelle bactries mthanognes par abus de langage. On distingue deux groupes de bactries mthanognes, les hydrognotrophes (qui utilisent H2 et CO2) et les actoclastes (qui utilisent lacide actique). Dans les deux cas, elles vont rduire leur substrat en mthane (CH4). La composition moyenne du biogaz ainsi produit est un mlange de CH4 (~60%) et de CO2 (~40%) avec des traces de H2S, de NH3 et de H2.

Ces bactries mthanognes ont comme particularit de se dvelopper en condition anarobie stricte, elles sont totalement intolrantes { lO2. Elles ont galement besoin de nickel (Ni) pour se dvelopper. Ainsi il est important de garantir une absence totale dO2 dans le digesteur ainsi quun apport en Ni satisfaisant pour leur croissance (en gnral la quantit de Ni contenue dans la matire organique entrant dans le digesteur est suffisante).

TABLEAU 4 : CARACTERISTIQUES DES BACTERIES METHANOGENES

Bactries mthanognes

caractristiques archaebactries trs fragiles, trs sensibles O2, besoin

de Ni, plusieurs substrats possibles gamme de pH optimal [6,8 7,5]

temps de division quelques jours (5-15 jours ; reproduction lente) sensibilit O2, variations de pH et temprature, Cu, sels


CONSEILS PRATIQUES POUR ASSURER LA STABILITE DE LUNITE DE METHANISATION

Comme nous venons de le voir, lactivit bactrienne mise en jeu lors de la digestion anarobie est trs complexe et trs sensible, il est donc important de mettre en uvre des pratiques pour maintenir dans le digesteur des conditions favorables aux bactries et donc maintenir un bon fonctionnement de lunit de mthanisation.

Les paramtres suivis sont souvent de nature conomique (directement ou indirectement) ou agronomique comme le taux de charge du digesteur, le temps de sjour dans le digesteur, le potentiel mthanogne du substrat, la quantit de biogaz produit ou encore la qualit du digestat. Mais ces paramtres ne permettent pas dapprhender laspect biologique dans le digesteur. Il est important de suivre quelques paramtres dordre biologique afin de prvenir et de maitriser les perturbations possibles du process, comme les intoxications des bactries. Nous allons prsenter quelques exemples dintoxication ainsi que les solutions possibles pour y remdier.

INTOXICATION AUX AGV : ACIDOSE

Lacidose correspond { la chute du pH dans le digesteur, entrainant un disfonctionnement des bactries mthanognes et donc un diminution de la production de biogaz. Lacidose peut tre due { un substrat trop abondant et trop fermentescible (forte activit dhydrolyse et dacidognse, donc accumulation dAGV) ou { une inhibition des bactries actognes ou mthanognes (variation de temprature, prsence dantibiotique, dH2S, de mtaux lourds).

Les consquences de cette intoxication sont la baisse du pH, la diminution de la quantit de biogaz produite et la perte de qualit du biogaz (augmentation de la concentration en CO2). Lorsque lon dtecte ces problmes, il est dj{ trop tard, le disfonctionnement est install. Certains paramtres peuvent permettre de prvenir lintoxication :

Laugmentation de la pression partielle dH2 dans le biogaz, lH2 tant un inhibiteur des bactries actognes, son augmentation traduit un dbut de disfonctionnement. Cette mesure peut se faire { laide dune sonde { H2, cependant des erreurs de mesure peuvent se produire cause de lH2S et du NH3, des recherches sont en cours pour amliorer les sondes (capteur membrane spcifique H2).

La diminution de lalcalinit totale (pouvoir tampon) du milieu. Pour se faire, on peut raliser la mesure du TIC (Carbone Inorganique Total), celle-ci est encore aujourdhui difficilement ralisable sur site, mais de nouveaux appareils de mesure sont dvelopps.

Laccumulation dAGV et le changement de composition (de plus en plus dAGV de grande taille). On peut suivre deux indicateurs, la concentration totale en AGV et le rapport acide actique (deux carbones) sur acide propionique (trois carbones). Mais ces mesures ncessite du matriel de laboratoire, donc difficilement ralisable sur site.

Quand lacidose est dtecte, larrt de lapport de substrat, le mlange du milieu pour favoriser lactivit des bactries et lajout dune base (NaHCO3 par exemple) peuvent permettre au systme de redevenir fonctionnel.

Remarque : lacidose est souvent ltape finale des autres intoxications. Un disfonctionnement dune tape va entrainer une accumulation dAGV, donc une chute du pH et lacidose.


INTOXICATION A LAMMONIAC (NH3) : ALCALOSE

Comme nous lavons vu prcdemment, le NH3 est toxique pour les bactries acidognes et actognes. Par contre lhydrolyse et la mthanognse sont encore fonctionnelles tant que du substrat est disponible pour ces bactries. Ainsi on observe dans le digesteur une accumulation des produits de lhydrolyse (acides amins, acides gras) et une diminution de la quantit de biogaz produit (mais mme qualit).

Pour dtecter cette intoxication, on peut mesurer la concentration en NH3 dans le digesteur. Les mthodes jusqualors disponibles taient ralisables hors site et ncessitaient un matriel de laboratoire (titrage automatique) ou bien ntaient pas pratiques (test colorimtrique). Une nouvelle technologie venue dAllemagne permet de simplifier la manipulation et de la raliser sur site. Cette mthode est simple et robuste mais utilise des produits dangereux (soude concentre et oxydant fort), elle ncessite donc une attention particulire et une protection lors de la manipulation.

Cet excs de NH3 dans le digesteur peut tre la consquence dun substrat en entre trop riche en protine (forte teneur en N C/N < 30) comme les lisiers ou les fumiers de volaille par exemple. Pour remdier ce problme il faut apporter un substrat moins riche en protine et fortement fermentescible (C/N > 30) pour relancer lactivit des bactries.

INTOXICATION AU DIHYDROGENE DE SOUFFRE (H2S)

Tout comme le NH3, le H2S a un effet inhibiteur sur lactognse et lacidognse. Les consquences sur lactivit bactrienne sont donc semblables une intoxication au NH3, on observe une accumulation des produits de lhydrolyse et une diminution de la quantit de biogaz produit.

Pour essayer de dtecter cette intoxication avant quil ne soit trop tard, on peut suivre la composition du biogaz et en particulier la concentration en H2S. Des sondes existent pour raliser de telles mesures en continue dans le biogaz.

La forte prsence de protines dans le substrat est, comme pour le NH3, responsable de cette intoxication. En effet, les protines contiennent du souffre, en faible quantit dans certains acides amines (cystine et mthionine). Une attention particulire doit donc tre porte la qualit du substrat pour viter cette intoxication.

INTOXICATION A LOXYGENE (O2)

LO2 inhibe quasiment toutes les phases de la mthanisation mis { part lhydrolyse qui peut persister en milieu arobie. Ainsi on observe une accumulation des produits de lhydrolyse et un arrt de la production de CH4.

La principale source dO2 dans le digesteur est lintroduction par les substrats poreux (comme la paille par exemple) ou par des erreurs de manipulation qui entrainent une entre dair dans le digesteur. La prsence doxygne peut se dtecter facilement par un capteur dO2 dans le digesteur (mesures en continue). Afin de palier { ce problme il est prfrable dutiliser des substrats denses, et dans le cas des pailles, il est recommander de la dfibrer avant (pas de soucis avec la paille pitine par les animaux prsente dans les fumiers).


INTOXICATIONS AUX METAUX LOURDS (CUIVRE, ZINC) ET AUX ANTIBIOTIQUES, DESINFECTANTS

Ces intoxications sont causes par des substances initialement prsentes dans le substrat, contaminations : aux mtaux lourds dans les lisiers, aux mdicaments animaux (pour traiter les mammites par exemple) dans les djections, aux dsinfectants de la salle de traite dans les eaux de lavage Dans tous les cas, ces intoxications entrainent linhibition des bactries acidognes, actognes et mthanognes, et donc une diminution de la production de biogaz et une accumulation dAGV, ce qui entraine une baisse du pH et donc un risque dacidose (cf. ci-dessus).

Le facteur dterminant pour ces intoxications est donc la qualit des substrats introduits dans le digesteur, il est donc primordial de bien connaitre ces substrats et donc de les faire analyser en laboratoire pour viter ensuite toute dconvenue qui aurait pu tre vitable.

CAS PARTICULIER DE LA CARENCE EN NI

Les bactries mthanognes ont besoin de Ni pour se dvelopper. Hors le Ni peut faire dfaut dans le substrat, il faut donc connaitre la composition des substrats pour apporter la bonne ration aux bactries mthanognes. Une carence en Ni entraine linhibition de la mthanognse donc la diminution de la production de mthane ainsi que laugmentation de la concentration en AGV, donc la diminution du pH et un risque dacidose.

Certains remdes miracles pour apporter du Ni au milieu existent, mais leur efficacit nest pas encore prouve.

Cependant, il est important de noter que ce problme intervient surtout en Allemagne o les cultures nergtiques sont fortement utilises comme substrat pour la mthanisation, or ces cultures sont gnralement pauvres en Ni, do les carences observes. En France, compte tenu de la diversit et de la qualit des substrats utiliss dans les units de mthanisation, ce problme ne devrait pas se poser.

CONCLUSION

La digestion anarobie fait intervenir un trs grand nombre de bactries et de ractions biologiques, il sagit donc dun processus trs complexe. De plus il est impossible de gnraliser toutes les approches car chaque digesteur est unique compte tenu du process mis en jeu, des substrats utiliss, des populations bactriennes en prsence

Le principal conseil que lon peut apporter est davoir une bonne connaissance de tous les substrats que lon introduit dans le digesteur (attention aux substrats ne provenant pas de lexploitation) pour viter toute contamination facilement vitable (mtaux lourds, mdicaments, dsinfectants antibiotiques). Ensuite il est galement conseill de raliser un suivi de certains paramtres biologiques afin de prvenir les intoxications possibles et donc la perte de productivit de lunit de mthanisation. On peut prconiser un suivi sous la forme suivante :


Suivi quotidien ou continu de la temprature, du pH, des teneurs en CH4, CO2, H2S, O2 ,H2 et NH3 si substrat risques (riche en protines)

Suivi hebdomadaire ou bihebdomadaire du pouvoir tampon (TIC) et des teneurs en AGV pour prvenir les variations de pH

De plus, il est prconis disoler les animaux malades pour viter les contaminations mdicamenteuses, de faire attention aux concentrations en sels (KCl, NaCl) lorsquon utilise des boues de STEP et dviter au maximum dintroduire des substrats riches en lignine et des matires inertes dans le digesteur (plastique, verre, silice). Enfin, il est important de maintenir une temprature constante dans le digesteur car certaines bactries sont sensibles aux variations de temprature.

Microbiologie de la Digestion

Anarobie

Philippe DELFOSSE

[email protected]

AILE, Rennes, 21 juin 2011

Partie Thorique

Digestion Anarobie ?

Processus biologique complexe de conversion de

la matire organique en:

CH4, CO2, NH3, H2S

Equation gnrale: (Buswell & Mller, 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 thorique

de biogaz

Nl/kg DOM CH4 (%) CO2 (%)

hydrates de carbone 746 50 50Lipides 1390 72 28Proteines 800 60 40

Composition thorique

de biogaz Protines: CO2 se lie NH3 et

H2S reste principalement en

phase liquide CH4 60%

Solubilit des gaz dans leau

Digestion Anarobie ?

Processus biologique complexe qui peut

tre dcrit en 4 phases de dgradation :

1. Hydrolyse

2. Acidognse

3. Actognse

4. Mthanognse

La Digestion Anarobie

Polymres complexes

HydrolyseHydrol

pH

4.5 6.3

temps O2

heures

Caractristiques

Monomres, Dimres, a.a., ac. grasAcidognse

Hydrol

4.5 6.3 heures

AGV, CO2, H2, AlcoolesAGV, coolcoolcool

Acide Actique

Acetognse 6.8 7.5 1-4 jours

CH4, CO2

Mthanognsens 6.8 7.5 5-15 jours

Les facteurs limitants et dinhibition

exo-enzymes

Monomres, Dimres, a.a., ac. gras

Polymres complexes

HydrolyseHydrol lignine, mlange

Acidognse

Hydrol

H2S, NH3, sels,

antibiotiques

AGV, CO2, H2, AlcoolsAGV, coolcoolcool

Acide Actique

Acetognse Excs H2, H2S, NH3,

sels, antibiotiques, T

CH4, CO2

Mthanognse O2, pH, T, Cu, sels,

carence en Ni Etroite association/actions concertes !

1 HYDROLYSE Exoenzymes produits par des bactries anarobies

facultatives ou obligatoires dgradent les substrats

insolubles (polymres: cellulose, hmicellulose, amidon,

protines, lipides) en fragments solubles (monomres)

Les bactries anarobies facultatives consomment lO2dissout dans leau et causent de ce fait une rduction du

potentiel redox ncessaire au dveloppment des bactries

anarobies strictes.

Glucides qqus heures

Protides et Lipides qqus heures qqus jours

Lignocellulose qqus semaines

Lignine indigestible

qq j

Bactries hydrolysantesGenre Species Description

Bacteroides uniformis immobiles, Gram-neg, btonnets

acidifaciens

vulgatus

ruminicola

Lactobacilus pentosus immobiles, Gram-pos, btonnets

plantarum endospores

Propioni-bacterium microaerophilium immobiles, Gram-pos, btonnets

propionicus spores

cyclohexanicum

Sphingomonas subterranea prsentes dans les sdiments profonds

Sporobacterium olearium

Megaspheara elsdenii rumen

Bifidobacterium

X

X

2 Acidognse

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

Bactries acidognesLa majorit des acidognes participent aussi lhydrolyse !

Genres: Clostridium, Ruminococcus, Paenibacillus

1. Clostridium: grand groupe diversifi

Clostridium tetani (ttanos) Clostridium botulinum (botulisme) ?

Bactries acidognes

2. Ruminococcus: Glucides Acetate, Formate, Succinate, Lactate

EthOH, H2, CO22 2

3. Paenibacillus: Glucides Acetate, Formate, Lactate, Propionate

3. Actognse

Les actognes produisent obligatoirement H2

Inhibition si forte pression partielle en H2

Symbiose ncessaire avec des bactries consommatrices dH2

3 Acetognse

2

Bactries homoacetognes rduisent lH2 et CO2 en Actate

Bactries acetognes

Symbiose obligatoire avec des bactries consommatrices de H2 Rgnration = 84 h

Acides organiques, Alcooles, a.a. Acetate, CO2, H2

4. MthanognseActoclastiques Hydrognotrophes

Bactries methanognes

Bactries primitives = Archaea

Possdent le co-facteur F420 (transporteur dH2, autofluorescent)

Principaux = Methanobacterium, Methanospirillum, Methanosarcina

Archaea methanognes =

Anaerobie stricte !!!

Substrats = acetate, formate, methanol/H2, H2/CO2 Nikel dpendantes

Methanosaeta

Methanosarcina

Bactrie mthanogne

en symbiose avec le

protiste Nyctotherus

ovalis (dehydrogenase coenzyme F420)

Bactries methanognes

1

CO2

H2

acide actique

METHANOGENESE

bactries hydrognotrophes

bactries actoclatiques CH4

CO2

CH4

bactries methyltrophiquesmethanol CH4

Comptition Bactrienne

Bactries rduisant les sulfates

Rduisent le SO42- en H2S en utilisant lactate et H2

consomment les deux substrats principaux de la mthanogense

Il faut maintenir un ratio Substrat/ SO42- > 3

Desulfovibrio vulgaris

Desulfobacterales

Desulfovibrionales

Syntrophobacterales

Thermodesulfobacteria

Comptition Bactrienne

Bactries homoactognes

Rduisent H2 et CO2 en Actate

consomment lH2comptition avec les mthanognes hydrognotrophes (!)

favorisent les mthanognes actoclastiques (=actotrophes)

Digesteurs agricoles

Pass: CH4 70% viendrait AcAc et 30% CO2 + H2 = CH4 Depuis Klocke 2007 et 2008 linverse a t dmontr !

Partie Pratique

Biogaz la ferme

Les paramtres utiles suivre

et les bonnes pratiques pour assurer une

biomthanisation stable

La Biomthanisation la fermeCH4, H2

CO2, H2S, H2O

Substrats = Matire organique :

Djections animales

Production vgtale

Sous-produit de lagro-

alimentaire, mnages,

Digestats :

MO non digre

N, P, K

Odeur rduite

A. Quel substrat ? (qualit, digestibilit)

Quel approvisionnement ? OLR = mS x [DOM] / Vr (DOM kg/m3j)

Quel temps de sjour ? HRT = Vr / Vs (j)

B. Phnomnes dindigestion ? Acidose, Intoxication NH3, mtaux lourds, antibiotiques, sels, T

C. Les digestats peuvent-ils

encore produire du CH4 de

manire rentable ?

Vs (m3/j)

ms (kg/j) VD (m3/j)

mD (kg/j)

Vg (m3/j)

%CH4 %CO2

Vr (m3)

T, pH

Mlange

Et la BIOLOGIE

?

La Digestion Anarobie

Polymres complexes

HydrolyseHydrol

pH

4.5 6.3

temps O2

heures

Caractristiques

Monomres, Dimres, a.a., ac. grasAcidognse

Hydrol

4.5 6.3 heures

AGV, CO2, H2, AlcolesAGV, colecolecole

Acide Actique

Acetognse 6.8 7.5 1-4 jours

CH4, CO2

Mthanognsens 6.8 7.5 5-15 jours

Les facteurs limitants et dinhibition

exo-enzymes

Monomres, Dimres, a.a., ac. gras

Polymres complexes

HydrolyseHydrol lignine, mlange

Acidognse

Hydrol

H2S, NH3, sels,

antibiotiques

AGV, CO2, H2, AlcoolsAGV, coolcoolcool

Acide Actique

Acetognse Excs H2, H2S, NH3,

sels, antibiotiques, T

CH4, CO2

MthanognsensO2, pH, T, Cu, sels ,

carence NiEtroite association/actions concertes !

Perturbations du processus Intoxication due aux AGV (Acidose, pH3kg/m3 dig.)

Intoxication due H2S (H2S>50 mg/l dig.)

Intoxication due lO2 (O2>0.1 mg/l dig.)

Intoxication due aux mtaux lourds

(Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd)

Intoxication due aux antibiotiques/dsinfectants etc

Que se passe-t-il ?

Origine ?

Comment les dtecter ?

Comment y remdier ?

Acidose

Que se passe-t-il ?

Origine

Comment la dtecter temps ?

Comment y remdier ?

Bact. Acetognes

Bact. Methanognes

Acidose : Que se passe-t-il ?

Polymres Complexes

Carbohydrates, Lipids, Proteins, Ac nucliques

Hydrolysis

monomres, dimres

sucres, acides gras branchs, 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. AcidognesBact. Acidog

Bact.Hydrolytiques

Acidose : Origine ?

Alimentation excessive

Substrats trop fermentescibles

Inhibition des ACETOGENES par:

Antibiotiques, dsinfectant

T

H2S (protines)

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

ga

s (

m3/t

)

CH4 (m3/t FM)

CO2 (m3/t FM)

Acidose : Comment la dtecter ?

Chute de production de biogaz

Perte de qualit du biogaz (CH4 < 50%, CO2 > 50%)

pH < 7

Dplacement de lH2S vers la phase gazeuse

1. Paramtres communment disponibles sur site

SOUVENT IL EST DEJA TROP TARD !!!

Acidose : Comment la dtecter ?

2. Paramtres plus srs car prcurseurs de lacidose

Augmentation de la pression partielle en H2 Chute de lalcalinit totale = pouvoir tampon

= amortisseur dacidit

Accumulation des AGV et modification de la balance en AGV (proprotion dAc Ac chute alors que Prop, But, Val augmentent)

Pression partielle en HYDROGENE (H2)

Le plus prcoce = H2 puisquil

inhibe le processus

H2 est quasi insoluble dans leau et

se retrouve donc dans la phase

gazeuse

mesurer la pression partielle en H2dans le biogaz 1ppm < H2 < 100

ppm

Dtecteur H2 prix abordable

existe aujourdhui sur le march

Attention aux interfrences avec

H2S et NH3 capteur spcifique

phase de dveloppement

Projet INTERREG IV A OPTIBIOGAZ

Suivi de lHydrogne

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

(%)

an

d H

2(p

pm

) co

nce

ntr

atio

n, b

ioga

s p

rod

uct

ion

ra

te (

mL/

min

)

an

d f

ee

din

g r

ate

(g

/10

0L)

H2S

co

nce

ntr

atio

n (

pp

m)

Date

H2S biogas rate

H2 feeding rate

CH4 CO2

Double feeding rate Temperature decrease

Suivi de lHydrogne

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 lalcalinit totale

Source: Melanie HECHT, unpublished

Alcalinit totale = pouvoir tampon = amortisseur dacidit

Principal acteur = CO2 = carbone inorganique (TIC ou TAC)

Tampon d'acide carbonique (H2CO3) et de hydrognocarbonate (HCO3

-) maintient le pH entre 7,35 et 7,45.

6.5 10.4

AGVTIC

pH

Comment mesurer lalcalinit 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

Problmes:

Ralis en laboratoire

Forte production de mousse (CO2)

Utilisation H2SO4 [conc]

Sonde pH pour solution organique

Titrateur automatique

Comment mesurer lalcalinit totale (TIC) sur site?

http://www.biogaspro.de/index.html

Le QUANTOFIX ou lAGRO-LISIER pourraient tre adapts

Coopagri Bretagne, mars 1995

TIC

CO2 + H2O H2CO3

Accumulation des AGV tot et modification de la

composition en AGV

Lorsque lAcetogense est inhibe par lexcs dH2, les AGV de taille suprieure lactate (C2) saccumulent

Le premier saccumuler est lAc propionique (C3)

Dans la pratique il ny a pas de

valeur standard pour les AGVtot

Chaque digesteur est unique !

Spectre en AGV

C2 Ac Actique CH3-COOH

C3 Ac Propionique CH3-CH2-COOH

C3 Ac Lactique CH3-CHOH-COOH

C4 Ac Butyrique CH3-(CH2)2-COOH

C5 Ac Valrique CH3-(CH2)3-COOH

C6 Ac Caproque CH3-(CH2)4-COOH

C8 Ac Caprylique CH3-(CH2)6-COOH

C10 Ac Caprique CH3-(CH2)8-COOH

Extraction par entranement la vapeur et titration (AGV tot), Chromatographie

Les premiers saccumuler sont les AGV de taille suprieure lacetate. Accumulation du propionique au dtriment de lactique

Les AGV branchs (isoBut, isoVal) sont plus difficilement transforms en Actate

[Ac Actique] / [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

4.50S

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 remdier ?

Stopper lalimentation !!!

Mlanger pour favoriser les changes entre bactries

Diluer ?

Ajout de NaHCO3 (CaO, CaCO3)

Raction rapide

Augmentation du pH et de la capacit tampon des digestats

Faire un test prliminaire (10 litres de digestat + incrment de 1 g de

NaHCO3 jusqu un pH de 7.8 puis extrapoler au volume du digesteur)

Un stock de scurit de 500 kg est recommandable

Dvier le digestat acidifi vers un mthaniseur lit fixe

Perturbations du processus Intoxication due aux AGV (Acidose, pH 3kg/m3 dig.)

Intoxication due H2S (H2S > 50 mg/l dig.)

Intoxication due lO2 (O2 >0.1 mg/l dig.)




Que se passe-t-il ?

Origine ?


Comment y remdier ?

Intoxication NH3

Que se passe-t-il ?

Origine


Comment y remdier ?

Intoxication NH3 : Que se passe-t-il ?Excs de protines dans la ration

Accumulation dNH3 dans le

digestat pH augmente !

Effet inhibiteur principal de NH3sur les Actognes et les

Acidognes

LHydrolyse et la Mthanogense

fonctionnent

Accumulation de monomres,

AGV de grande taille, acides

amins, sucres, alcools, actone,

CH4/CO2 reste favorable !!!

Nm3 biogaz chute

Polymres Complexes


Hydrolysis

monomres, dimres


Acidogenesis



Acetate H2, CO2

Methanogenesis

CH4 + CO2

NH3 > 3 kg/m3 de digestat

Les bactries montrent en

gnral une bonne capacit

dadaptation

Si le pH ou la T augmente le

N-NH3 devient encore plus

toxique (fragilit thermophile)

Intoxication NH3 : Origine ?

Substrats riches en protines

Rapport C/N < 30

Gluten, protines animales,

lisiers, fumier de volaille,

NH3 + H2O NH4+ + OH-

Cest la forme N-NH3 qui est toxique !

Intoxication NH3 : Comment la dtecter ?

www.hach-lange.de

Titrateur automatique Mthodes colorimtriques

Problmes:

Prparation de lchantillon

Forte dilution ncessaire

Hors site

Comment mesurer NH3 sur site ?

Ajout dune base en excs

Et dun oxydant fort NaOCl

NH4+ est converti en NH3 qui est a

son tour oxyd en NCl3 insoluble

On mesure le volume de NCl3produit par dplacement de la

colonne deau

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 lAGRO-LISIER pourraient tre adapts

Coopagri Bretagne, mars 1995

No

laboratoire

Dsignation

de

lchantillon

pH Total des

acides gras

volatils en

mg/kg dans

la matire

telle quelle

Acide

actique

en mg/kg

dans la

matire

telle quelle

Acide

propionique

en mg/kg

dans la

matire telle

quelle

Acide

isobutyrique

en mg/kg

dans la

matire telle

quelle

Acide

butyrique

en mg/kg

dans la

matire telle

quelle

Acide

isovalrique

en mg/kg

dans la

matire telle

quelle

Acide

valrique

en mg/kg

dans la

matire

telle quelle

Acide

caproque

en mg/kg

dans la

matire 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 dintoxication NH3 Intoxication NH3 : Que faire ? Peu de recommendation dans la litterature !

Stopper lalimentation avec le substrat fautif riche en

protines et source du NH3

Acidifier le digestat (AcAc), Diluer ??

Ralimenter prudemment avec un substrat fortement

fermentescible pour retrouver un rapport C/N favorable = 30 :

production dacide

chute du pH

NH3 passe sous forme NH4+

toxicit diminue

LAcetogense et lAcidogense reprennent







Que se passe-t-il ?

Origine ?


Comment y remdier ?

Intoxication H2S

Que se passe-t-il ?

Origine


Comment y remdier ?

Polymres Complexes


Hydrolysis

monomres, dimres


Acidogenesis



Acetate H2, CO2

Methanogenesis

CH4 + CO2

Intoxication H2S : Que se passe-t-il ?

Excs de protines dans la ration

Accumulation d H2S dans le digestat

Effet inhibiteur principal de H2S sur les

Mthanognes hydro-gnotrophes, moins

sur les actoclastiques, mais aussi sur les

Acidognes et Actognes

LHydrolyse et la Mthanogense

fonctionnent malgr tout

Accumulation de monomres, AGV de

grande taille, acides amins, sucres,

alcools, actone,


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 H2S : Origine ?

Substrats riches en protines

Kratine = corne, peau, poils,

plume

protines animales, lisiers,

fumier, colza et autres

crucifres (Brassicaceae)

Vitamines (biotine, thiamine,

coenzyme A)

Cest la forme H2S qui est toxique !

coenzyme A

Mthionine Cystine

-s-s-

Structure spatiale des protines

Intoxication H2S : Exemple

Plumes de poulet : Production cumule 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

ul

e d

e C

H4

[Nm

/ t

FM

]

CH4

CO2

Plumes: faible digestibilit et risque de corrosion pour les digesteurs et les

groupes de cognration. (cornes, poils, plumes, colza, )

Plumes :

MS : 26,5 %

MOS : 95,6 %


Nm3 biogaz chute

Intoxication H2S : Comment la dtecter ?

Analyseur de gaz sur site

Capteur lectrochimique

Rappel:

Lintoxication l H2S provoque

principalement linhibition des

Actognes:

Accumulation des AGV

Chute du pH

HS- H2S

Dplacement vers la phase

gazeuse

Dtection accrue d H2S dans

le biogaz

CORROSION !!!700 ppm Mort Immdiate

Intoxication H2S : Que faire ? Peu de recommendation dans la litterature !

Stopper lalimentation avec le substrat fautif riche en

protines soufres, repos

Reprendre lalimentation prudemment avec un substrat

fortement fermentescible pour retrouver un rapport C/N

favorable = 30 :

production dacide

chute du pH

H2S est dplac vers la phase gazeuse

Insufflation dO2 dans le biogaz

2 H2S + O2 S2 + 2 H2O (fleur de soufre, lmentaire)

LAcetogense et lAcidogense reprennent







Que se passe-t-il ?

Origine ?


Comment y remdier ?

Intoxication O2

Que se passe-t-il ? O2 > 0.1 mg/l digestat

Seul lHydrolyse fonctionne bien

Accumulation de monomres

Origine Introduction avec les substrats (pailles)

Dsulfurisation biologique (O2)

Comment la dtecter ? Capteur O2 (biogaz)

Nm3 Biogaz chute

CH4 chute

Comment y remdier ? Substrats denses

Contrle de la dsulfurisation biologique

Hydrolyse

Acidognse

Hydrololololololyse

Acetognse

Mthanognse

di ?







Que se passe-t-il ?

Origine ?


Comment y remdier ?

Intoxication aux mtaux lourds Intoxication aux mtaux lourds

Que se passe-t-il ? La mthanogense est inhibe

Les autres phases fonctionnent

Origine Cu > 50 mg/l

Zn > 150 mg/l

Cr > 100 mg/l

Comment la dtecter ? CH4 chute, AGV augmentent, pH chute = Acidose

Dosage des mtaux lourds en laboratoire

ICP-MS (Inductively Coupled Plasma - MS)

Comment y remdier ? Eviter les substrats dorigine inconnue

NaHCO3

Hydrolyse

Acidognse

Hydrolyse

Acetognse

Mthanognse







Que se passe-t-il ?

Origine ?


Comment y remdier ?

Hydrolyse

Acidognse

Hydrololololololololyse

Acetognse

Intoxication aux AB dsinfectants, etc Que se passe-t-il ?

Acidogense et Actogense inhibes

Hydrolyse et Mthanogense fonctionnent

Origine Mdication animale (mammite)

Bactriostatiques (levage porcin)

Dsinfectants (salle de traite)

Poubelle verte (AB usage humain)

Comment la dtecter ? CH4 CO2 biogaz chutent (Acidose ou Intox NH3)

Monomres augmentent

Dosage des xnobiotiques en laboratoire

HPLC

Comment y remdier ? Eviter les substrats dorigine inconnue

Sparer les animaux malades du troupeau

Stockage 2-3 semaines, la plupart sont dgrads

Mthanognse

INTERROGATION

Prenez un quart de feuille svp !Substrat

digestion

rapide

Acides

organiques CH4

CO2

1. Les substrats rapidement hydrolyss

Pomme de terre

Mlasse, Fruits

Crales en grain

Bourbes, Racines

Biogaz

Rq: Mme effet si on suralimente le digesteur


de biogaz




de biogaz

Substrat

digestion

rgule Acides

organiques

CH4

CO2

2. Les substrats hydrolyss idalement

Cellulose

Ensilage de mas et de crales immatures, fumier

(apport en bactries mthanognes),

Biogaz


de biogaz




de biogaz

Substrat

digestion

lente Acides

organiques

CH4

CO2

3. Les substrats lentement hydrolyss

et fortement mthanognes

de part leur composition

Graisses (insolubles dans leau)

Huiles

Boues de laiterie, fromagerie, chocolaterie Biogaz


de biogaz




de biogaz

Protines

Acides

organiques

CH4

CO2

4. Les substrats riches en protines

fortement mthanognes

Dchets dabattoire

Touteau de Colza

Protines riches en Mthionine et Cystine Biogaz

Si Excs NH3 et H2S


de biogaz




de biogaz

Digestion en 2 tapes

On surralimente lHydrolyseur

Production rapide et importante dAcides organiques

Inhibition des Actognes et Mthanognes

Production de CO2 (80%) et dH2 (20%)

Ac org.

Hydrolyseur Mthaniseur

CO2 H2

H2S

CH4 =70%

Dgradation de molcules rcalcitrantes (ulvanes)

Substrats fortement dgradables prsentant un risque dacidose (fruits, lgumes, racines, )

Fumier, ensilages

Diagnostic ?

Ration:

1500 kg/j de crales

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

actique

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

isovalriqu

e en mg/kg

de MS

Acide

valrique

en mg/kg

de MS

Acide

caproque

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

actique

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

isovalrique

en mg/kg

de MS

Acide

valrique

en mg/kg

de MS

Acide

caproque

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 risques

Isoler les effluents des animaux malades

Attention aux mtaux lourds sous forme soluble (Cu, Zn)

Attention au sels (KCl, NaCl) STEP

Attention aux cosmtiques (SiH4, siloxanes)

Contrle rapproch de linsuflation dO2

Chaque digesteur est unique !

CH4

CO2

Merci !Rfrences:

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)

Documents

CR_presentation-Phillipe-Delfosse_avec-ppt_2011-06-21.pdf