Microbiologie de la Digestion Anaérobie - aile.asso.fr · Bactérie méthanogène en symbiose avec le protiste Nyctotherus ovalis (dehydrogenase coenzyme F 420) Bactéries methanogènes

Microbiologie de la Digestion

Anaérobie

Philippe DELFOSSE

[email protected]

AILE, Rennes, 21 juin 2011

Partie Théorique

Digestion Anaérobie ?

• Processus biologique complexe de conversion de

la matière organique en:

CH4, CO2, NH3, H2S

Equation générale: (Buswell & Müller, 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 théorique

de biogaz

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

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

Composition théorique

de biogaz Protéines: CO2 se lie à NH3 et

H2S reste principalement en

phase liquide CH4 60%

Solubilité des gaz dans l‟eau

Digestion Anaérobie ?

• Processus biologique complexe qui peut

être décrit en 4 phases de dégradation :

1. Hydrolyse

2. Acidogénèse

3. Acétogénèse

4. Méthanogénèse

La Digestion Anaérobie

Polymères complexes

Hydrolyse

pH

4.5 – 6.3

temps O2

heures

Caractéristiques

Monomères, Dimères, a.a., ac. grasAcidogénèse 4.5 – 6.3 heures

AGV, CO2, H2, Alcooles

Acide Acétique

Acetogénèse 6.8 – 7.5 1-4 jours

CH4, CO2

Méthanogénèse 6.8 – 7.5 5-15 jours

Les facteurs limitants et d’inhibition

exo-enzymes

Monomères, Dimères, a.a., ac. gras


Hydrolyse lignine, mélange

AcidogénèseH2S, NH3, sels,

antibiotiques

AGV, CO2, H2, Alcools

Acide Acétique

Acetogénèse Excès H2, H2S, NH3,

sels, antibiotiques, T°

CH4, CO2

Méthanogénèse O2, pH, T°, Cu, sels,

carence en Ni Etroite association/actions concertées !

1 HYDROLYSE• Exoenzymes produits par des bactéries anaérobies

facultatives ou obligatoires dégradent les substrats

insolubles (polymères: cellulose, hémicellulose, amidon,

protéines, lipides) en fragments solubles (monomères)

• Les bactéries anaérobies facultatives consomment l‟O2

dissout dans l‟eau et causent de ce fait une réduction du

potentiel redox nécessaire au développment des bactéries

anaérobies strictes.

• Glucides qqus heures

• Protides et Lipides qqus heures à qqus jours

• Lignocellulose qqus semaines

• Lignine „ indigestible‟

Bactéries hydrolysantesGenre Species Description

Bacteroides uniformis immobiles, Gram-neg, bâtonnets

acidifaciens

vulgatus

ruminicola

Lactobacilus pentosus immobiles, Gram-pos, bâtonnets

plantarum endospores

Propioni-bacterium microaerophilium immobiles, Gram-pos, bâtonnets

propionicus spores

cyclohexanicum

Sphingomonas subterranea présentes dans les sédiments profonds

Sporobacterium olearium

Megaspheara elsdenii rumen

Bifidobacterium

X

X

2 Acidogénèse

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

Bactéries acidogènesLa majorité des acidogènes participent aussi à l’hydrolyse !

Genres: Clostridium, Ruminococcus, Paenibacillus

1. Clostridium: grand groupe diversifié

Clostridium tetani (tétanos) Clostridium botulinum (botulisme) ?

Bactéries acidogènes

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

EthOH, H2, CO2

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

3. Acétogénèse

Les acétogènes produisent obligatoirement H2

Inhibition si forte pression partielle en H2

Symbiose nécessaire avec des bactéries consommatrices d‟H2

3 Acetogénèse

2

Bactéries homoacetogènes réduisent l‟H2 et CO2 en Acétate

Bactéries acetogènes

• Symbiose obligatoire avec des bactéries consommatrices de H2

• Régénération = 84 h

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

4. MéthanogénèseAcétoclastiques Hydrogénotrophes

Bactéries methanogènes

• Bactéries primitives = Archaea

• Possèdent le co-facteur F420 (transporteur d‟H2, autofluorescent)

• Principaux = Methanobacterium, Methanospirillum, Methanosarcina

• Archaea methanogènes =

• Anaerobie stricte !!!

• Substrats = acetate, formate, methanol/H2, H2/CO2

• Nikel dépendantes

Methanosaeta

Methanosarcina

Bactérie méthanogène

en symbiose avec le

protiste Nyctotherus

ovalis (dehydrogenase

coenzyme F420)

Bactéries methanogènes

1

CO2

H2

acide acétique

METHANOGENESE

bactéries hydrognotrophes

bactéries acétoclatiques CH4

CO2

CH4

bactéries methyltrophiquesmethanol CH4

Compétition Bactérienne

• Bactéries réduisant les sulfates

•Réduisent le SO42- en H2S en utilisant l‟acétate et H2

• consomment les deux substrats principaux de la méthanogenèse

• Il faut maintenir un ratio Substrat/ SO42- > 3

Desulfovibrio vulgaris

•Desulfobacterales

•Desulfovibrionales

•Syntrophobacterales

•Thermodesulfobacteria

Compétition Bactérienne

• Bactéries homoacétogènes

•Réduisent H2 et CO2 en Acétate

• consomment l‟H2

•compétition avec les méthanogènes hydrogénotrophes (!)

• favorisent les méthanogènes acétoclastiques (=acétotrophes)

• Digesteurs agricoles

• Passé: CH4 70% viendrait AcAc et 30% CO2 + H2 = CH4

• Depuis Klocke 2007 et 2008 l‟inverse a été démontré !

Partie Pratique

Biogaz à la ferme

Les paramètres utiles à suivre

et les bonnes pratiques pour assurer une

biométhanisation stable

La Biométhanisation à la fermeCH4, H2

CO2, H2S, H2O

Substrats = Matière organique :

•Déjections animales

•Production végétale

•Sous-produit de l‟agro-

alimentaire, ménages,…

Digestats :

•MO non digérée

•N, P, K

•Odeur réduite

A. Quel substrat ? (qualité, digestibilité)

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

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

B. Phénomènes d‟indigestion ? Acidose, Intoxication NH3, métaux lourds, antibiotiques, sels, T°

C. Les digestats peuvent-ils

encore produire du CH4 de

manière rentable ?

Vs (m3/j)

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

mD (kg/j)

Vg (m3/j)

%CH4 %CO2

Vr (m3)

T°, pH

Mélange

Et la BIOLOGIE

?

La Digestion Anaérobie


Hydrolyse

pH

4.5 – 6.3

temps O2

heures

Caractéristiques

Monomères, Dimères, a.a., ac. grasAcidogénèse 4.5 – 6.3 heures

AGV, CO2, H2, Alcoles

Acide Acétique

Acetogénèse 6.8 – 7.5 1-4 jours

CH4, CO2

Méthanogénèse 6.8 – 7.5 5-15 jours

Les facteurs limitants et d’inhibition

exo-enzymes

Monomères, Dimères, a.a., ac. gras


Hydrolyse lignine, mélange

AcidogénèseH2S, NH3, sels,

antibiotiques

AGV, CO2, H2, Alcools

Acide Acétique

Acetogénèse Excès H2, H2S, NH3,

sels, antibiotiques, T°

CH4, CO2

MéthanogénèseO2, pH, T°, Cu, sels ,

carence NiEtroite association/actions concertées !

Perturbations du processus• Intoxication due aux AGV (Acidose, pH<7)

• Intoxication due à NH3 (NH4>3kg/m3 dig.)

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

• Intoxication due à l‟O2 (O2>0.1 mg/l dig.)

• Intoxication due aux métaux lourds

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

• Intoxication due aux antibiotiques/désinfectants etc…

– Que se passe-t-il ?

– Origine ?

– Comment les détecter ?

– Comment y remédier ?

Acidose

• Que se passe-t-il ?

• Origine

• Comment la détecter à temps ?

• Comment y remédier ?

Bact. Acetogènes

Bact. Methanogènes

Acidose : Que se passe-t-il ?

Polymères Complexes

Carbohydrates, Lipids, Proteins, Ac nucléiques

Hydrolysis

monomères, dimères

sucres, acides gras branchés, 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. Acidogènes

Bact.Hydrolytiques

Acidose : Origine ?

• Alimentation excessive

• Substrats trop fermentescibles

• Inhibition des ACETOGENES par:

– Antibiotiques, désinfectant

– T°

– H2S (protéines)

– 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

gas (

m3/t

)

CH4 (m3/t FM)

CO2 (m3/t FM)

Acidose : Comment la détecter ?

• Chute de production de biogaz

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

• pH < 7

• Déplacement de l‟H2S vers la phase gazeuse

1. Paramètres communément disponibles sur site

SOUVENT IL EST DEJA TROP TARD !!!

Acidose : Comment la détecter ?

2. Paramètres plus sûrs car précurseurs de l‟acidose

• Augmentation de la pression partielle en H2

• Chute de l‟alcalinité totale = pouvoir tampon

= amortisseur d‟acidité

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

Pression partielle en HYDROGENE (H2)

• Le plus précoce = H2 puisqu‟il

inhibe le processus

• H2 est quasi insoluble dans l‟eau et

se retrouve donc dans la phase

gazeuse

mesurer la pression partielle en H2

dans le biogaz 1ppm < H2 < 100

ppm

• Détecteur à H2 à prix abordable

existe aujourd‟hui sur le marché

• Attention aux interférences avec

H2S et NH3 capteur spécifique

phase de développement

Projet INTERREG IV A OPTIBIOGAZ

Suivi de l‟Hydrogène

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

(%)

and

H2

(pp

m)

con

cen

trat

ion

, bio

gas

pro

du

ctio

n r

ate

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L/m

in)

and

fe

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ing

rate

(g/

10

0L)

H2S

con

cen

trat

ion

(p

pm

)

Date

H2S biogas rate

H2 feeding rate

CH4 CO2

Double feeding rate Temperature decrease

Suivi de l‟Hydrogène

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 l‟alcalinité totale

Source: Melanie HECHT, unpublished

• Alcalinité totale = pouvoir tampon = “amortisseur” d‟acidité

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

• Tampon d'acide carbonique (H2CO3) et de hydrogénocarbonate (HCO3

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

6.5 10.4

AGVTIC

pH

Comment mesurer l‟alcalinité 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

Problèmes:

•Réalisé en laboratoire

•Forte production de mousse (CO2)

•Utilisation H2SO4 [conc]

•Sonde pH pour solution organique

Titrateur automatique

Comment mesurer l‟alcalinité totale (TIC) sur site?

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

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

Le QUANTOFIX ou l‟AGRO-LISIER pourraient être adaptés

Coopagri Bretagne, mars 1995

TIC

CO2 + H2O H2CO3

Accumulation des AGV tot et modification de la

composition en AGV

• Lorsque l‟Acetogenèse est inhibée par l‟excès d‟H2, les AGV de taille supérieure à l‟acétate (C2) s‟accumulent

• Le premier à s‟accumuler est l‟Ac propionique (C3)

Dans la pratique il n‟y a pas de

valeur standard pour les AGVtot

Chaque digesteur est unique !

• Spectre en AGV

• C2 Ac Acétique CH3-COOH

• C3 Ac Propionique CH3-CH2-COOH

• C3 Ac Lactique CH3-CHOH-COOH

• C4 Ac Butyrique CH3-(CH2)2-COOH

• C5 Ac Valérique CH3-(CH2)3-COOH

• C6 Ac Caproïque CH3-(CH2)4-COOH

• C8 Ac Caprylique CH3-(CH2)6-COOH

• C10 Ac Caprique CH3-(CH2)8-COOH

• Extraction par entraînement à la vapeur et titration (AGV tot), Chromatographie

• Les premiers à s‟accumuler sont les AGV de taille supérieure à l‟acetate. Accumulation du propionique au détriment de l‟acétique

• Les AGV branchés (isoBut, isoVal) sont plus difficilement transformés en Acétate

• [Ac Acétique] / [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

4.50µS

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 remédier ?

• Stopper l‟alimentation !!!

• Mélanger pour favoriser les échanges entre bactéries

• Diluer ?

• Ajout de NaHCO3 (CaO, CaCO3)

•Réaction rapide

•Augmentation du pH et de la capacité tampon des digestats

•Faire un test préliminaire (10 litres de digestat + incrément de 1 g de

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

•Un stock de sécurité de 500 kg est recommandable

• Dévier le digestat acidifié vers un méthaniseur à lit fixe


• Intoxication due à NH3 (NH4+ > 3kg/m3 dig.)

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

• Intoxication due à l‟O2 (O2 >0.1 mg/l dig.)





– Origine ?



Intoxication à NH3


• Origine



Intoxication à NH3 : Que se passe-t-il ?•Excès de protéines dans la ration

•Accumulation d‟NH3 dans le

digestat pH augmente !

•Effet inhibiteur principal de NH3

sur les Acétogènes et les

Acidogènes

•L‟Hydrolyse et la Méthanogenèse

fonctionnent

•Accumulation de monomères,

AGV de grande taille, acides

aminés, sucres, alcools, acétone,…

•CH4/CO2 reste favorable !!!

•Nm3 biogaz chute



Hydrolysis



Acidogenesis



Acetate H2, CO2

Methanogenesis

CH4 + CO2

• NH3 > 3 kg/m3 de digestat

• Les bactéries montrent en

général une bonne capacité

d‟adaptation

• Si le pH ou la T° augmente le

N-NH3 devient encore plus

toxique (fragilité thermophile)

Intoxication à NH3 : Origine ?

• Substrats riches en protéines

• Rapport C/N < 30

• Gluten, protéines animales,

lisiers, fumier de volaille,…

NH3 + H2O NH4+ + OH-

C‟est la forme N-NH3 qui est toxique !

Intoxication à NH3 : Comment la détecter ?

www.hach-lange.de

Titrateur automatique Méthodes colorimétriques

Problèmes:

•Préparation de l‟échantillon

•Forte dilution nécessaire

Hors site

Comment mesurer NH3 sur site ?

•Ajout d‟une base en excès

•Et d‟un oxydant fort NaOCl

•NH4+ est converti en NH3 qui est a

son tour oxydé en NCl3 insoluble

•On mesure le volume de NCl3

produit par déplacement de la

colonne d‟eau

•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 l‟AGRO-LISIER pourraient être adaptés

Coopagri Bretagne, mars 1995

No

laboratoire

Désignation

de

l’échantillon

pH Total des

acides gras

volatils en

mg/kg dans

la matière

telle quelle

Acide

acétique

en mg/kg

dans la

matière

telle quelle

Acide

propionique

en mg/kg

dans la

matière telle

quelle

Acide

isobutyrique

en mg/kg

dans la

matière telle

quelle

Acide

butyrique

en mg/kg

dans la

matière telle

quelle

Acide

isovalérique

en mg/kg

dans la

matière telle

quelle

Acide

valérique

en mg/kg

dans la

matière

telle quelle

Acide

caproïque

en mg/kg

dans la

matière 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 d‟intoxication à NH3

Intoxication à NH3 : Que faire ?• Peu de recommendation dans la litterature !

• Stopper l‟alimentation avec le substrat fautif riche en

protéines et source du NH3

• Acidifier le digestat (AcAc), Diluer ??

• Réalimenter prudemment avec un substrat fortement

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

production d‟acide

chute du pH

NH3 passe sous forme NH4+

toxicité diminue

L‟Acetogenèse et l‟Acidogenèse reprennent









– Origine ?



Intoxication à H2S


• Origine





Hydrolysis



Acidogenesis



Acetate H2, CO2

Methanogenesis

CH4 + CO2

Intoxication à H2S : Que se passe-t-il ?

•Excès de protéines dans la ration

•Accumulation d‟ H2S dans le digestat

• Effet inhibiteur principal de H2S sur les

Méthanogènes hydro-génotrophes, moins

sur les acétoclastiques, mais aussi sur les

Acidogènes et Acétogènes

•L‟Hydrolyse et la Méthanogenèse

fonctionnent malgré tout

•Accumulation de monomères, AGV de

grande taille, acides aminés, sucres,

alcools, acétone,…


•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 à H2S : Origine ?

• Substrats riches en protéines

• Kératine = corne, peau, poils,

plume…

• protéines animales, lisiers,

fumier, colza et autres

crucifères (Brassicaceae)

• Vitamines (biotine, thiamine,

coenzyme A)

C‟est la forme H2S qui est toxique !

Méthionine Cystéine

-s-s-

Structure spatiale des protéines

Intoxication à H2S : Exemple

Plumes de poulet : Production cumulée 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

ulé

e d

e C

H4

[Nm

³/ t

FM

]

CH4

CO2

• Plumes: faible digestibilité et risque de corrosion pour les digesteurs et les

groupes de cogénération. (cornes, poils, plumes, colza, …)

Plumes :

MS : 26,5 %

MOS : 95,6 %


•Nm3 biogaz chute

Intoxication à H2S : Comment la détecter ?

Analyseur de gaz sur site

Capteur électrochimique

Rappel:

•L‟intoxication à l‟ H2S provoque

principalement l‟inhibition des

Acétogènes:

Accumulation des AGV

Chute du pH

HS- H2S

Déplacement vers la phase

gazeuse

Détection accrue d‟ H2S dans

le biogaz

CORROSION !!!700 ppm Mort Immédiate

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

• Stopper l‟alimentation avec le substrat fautif riche en

protéines soufrées, repos

• Reprendre l‟alimentation prudemment avec un substrat

fortement fermentescible pour retrouver un rapport C/N

favorable = 30 :

production d‟acide

chute du pH

H2S est déplacé vers la phase gazeuse

Insufflation d‟O2 dans le biogaz

2 H2S + O2S2 + 2 H2O (fleur de soufre, élémentaire)

L‟Acetogenèse et l‟Acidogenèse reprennent









– Origine ?



Intoxication à O2

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

– Seul l‟Hydrolyse fonctionne bien

– Accumulation de monomères

• Origine– Introduction avec les substrats (pailles)

– Désulfurisation biologique (O2)

• Comment la détecter ?– Capteur O2 (biogaz)

– Nm3 Biogaz chute

– CH4 chute

• Comment y remédier ?– Substrats denses

– Contrôle de la désulfurisation biologique

Hydrolyse

Acidogénèse

Acetogénèse

Méthanogénèse









– Origine ?



Intoxication aux métaux lourds

Intoxication aux métaux lourds

• Que se passe-t-il ?– La méthanogenèse est inhibée

– Les autres phases fonctionnent

• Origine– Cu > 50 mg/l

– Zn > 150 mg/l

– Cr > 100 mg/l

• Comment la détecter ?– CH4 chute, AGV augmentent, pH chute = Acidose

– Dosage des métaux lourds en laboratoire

– ICP-MS (Inductively Coupled Plasma - MS)

• Comment y remédier ?– Eviter les substrats d‟origine inconnue

– NaHCO3

Hydrolyse

Acidogénèse

Acetogénèse

Méthanogénèse









– Origine ?



Hydrolyse

Acidogénèse

Acetogénèse

Intoxication aux AB désinfectants, etc…• Que se passe-t-il ?

– Acidogenèse et Acétogenèse inhibées

– Hydrolyse et Méthanogenèse fonctionnent

• Origine– Médication animale (mammite)

– Bactériostatiques (élevage porcin)

– Désinfectants (salle de traite)

– Poubelle “verte” (AB à usage humain)

• Comment la détecter ?– CH4 CO2 biogaz chutent (Acidose ou Intox NH3)

– Monomères augmentent

– Dosage des xénobiotiques en laboratoire

– HPLC

• Comment y remédier ?– Eviter les substrats d‟origine inconnue

– Séparer les animaux malades du troupeau

– Stockage 2-3 semaines, la plupart sont dégradés

Méthanogénèse

INTERROGATION

Prenez un quart de feuille svp !

Substrat

à digestion

rapide

Acides

organiques CH4

CO2

1. Les substrats rapidement hydrolysés

Pomme de terre

Mélasse, Fruits

Céréales en grain

Bourbes, Racines

Biogaz

Rq: Même effet si on suralimente le digesteur


de biogaz




de biogaz

Substrat

à digestion

« régulée » Acides

organiques

CH4

CO2

2. Les substrats hydrolysés « idéalement »

Cellulose

Ensilage de maïs et de céréales immatures, fumier

(apport en bactéries méthanogènes), …

Biogaz


de biogaz




de biogaz

Substrat

à digestion

lente Acides

organiques

CH4

CO2

3. Les substrats lentement hydrolysés

et fortement méthanogènes

de part leur composition

Graisses (insolubles dans l‟eau)

Huiles

Boues de laiterie, fromagerie, chocolaterie Biogaz


de biogaz




de biogaz

Protéines

Acides

organiques

CH4

CO2

4. Les substrats riches en protéines

fortement méthanogènes

Déchets d‟abattoire

Touteau de Colza

Protéines riches en Méthionine et Cystéine Biogaz

Si Excès NH3 et H2S


de biogaz




de biogaz

Digestion en 2 étapes

• On surralimente l‟Hydrolyseur

• Production rapide et importante d‟Acides organiques

• Inhibition des Acétogènes et Méthanogènes

• Production de CO2 (80%) et d‟H2 (20%)

Ac org.

Hydrolyseur Méthaniseur

CO2 H2

H2S

CH4 =70%

• Dégradation de molécules récalcitrantes (ulvanes)

• Substrats fortement dégradables présentant un risque d‟acidose (fruits, légumes, racines, …)

• Fumier, ensilages

Diagnostic ?

Ration:

1500 kg/j de céréales

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

acétique

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

isovalériqu

e en mg/kg

de MS

Acide

valérique

en mg/kg

de MS

Acide

caproïque

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

acétique

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

isovalérique

en mg/kg

de MS

Acide

valérique

en mg/kg

de MS

Acide

caproïque

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 à risques

• Isoler les effluents des animaux malades

• Attention aux métaux lourds sous forme soluble (Cu, Zn)

• Attention au sels (KCl, NaCl) STEP

• Attention aux cosmétiques (SiH4, siloxanes)

• Contrôle rapproché de l‟insuflation d‟O2

• Chaque digesteur est unique !

CH4

CO2

Merci !Références:

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

Microbiologie de la Digestion Anaérobie - aile.asso.fr · Bactérie méthanogène en symbiose avec le protiste Nyctotherus ovalis (dehydrogenase coenzyme F 420) Bactéries methanogènes