Microbiologie de la Digestion Anaérobie - AILE
Microbiologie de la Digestion Anaérobie - AILE
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<strong>Microbiologie</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>Digestion</strong><br />
<strong>Anaérobie</strong><br />
Philippe DELFOSSE<br />
<strong>de</strong>lfosse@lippmann.lu<br />
<strong>AILE</strong>, Rennes, 21 juin 2011
Partie Théorique
<strong>Digestion</strong> <strong>Anaérobie</strong> ?<br />
• Processus biologique complexe <strong>de</strong> conversion <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> matière organique en:<br />
CH 4, CO 2, NH 3, H 2S<br />
Equation générale: (Buswell & Müller, 1952)<br />
C cH hO oN nS s + y H 2O x CH 4 + n NH 3 + s H 2S + (c-x) CO 2<br />
SUCRES: C 6H 12O 6 3CO 2 + 3 CH 4<br />
LIPIDES: C 12H 24O 6 + 3 H2O 4.5 CO 2 + 7.5 CH 4<br />
PROTEINES: C 13H 25O 7N 3S 6.5 CO 2 + 6.5 CH 4 + 3 NH 3 + H 2S<br />
Substrats Production théorique<br />
<strong>de</strong> biogaz<br />
Nl/kg DOM CH 4 (%) CO 2 (%)<br />
hydrates <strong>de</strong> carbone 746 50 50<br />
Lipi<strong>de</strong>s 1390 72 28<br />
Proteines 800 60 40<br />
Composition théorique<br />
<strong>de</strong> biogaz Protéines: CO 2 se lie à NH 3 et<br />
H 2S reste principalement en<br />
phase liqui<strong>de</strong> CH 4 60%
Solubilité <strong>de</strong>s gaz dans l‟eau
<strong>Digestion</strong> <strong>Anaérobie</strong> ?<br />
• Processus biologique complexe qui peut<br />
être décrit en 4 phases <strong>de</strong> dégradation :<br />
1. Hydrolyse<br />
2. Acidogénèse<br />
3. Acétogénèse<br />
4. Méthanogénèse
La <strong>Digestion</strong> <strong>Anaérobie</strong><br />
Polymères complexes<br />
Monomères, Dimères, a.a., ac. gras<br />
AGV, CO 2, H 2, Alcooles<br />
Aci<strong>de</strong> Acétique<br />
CH 4, CO 2<br />
Hydrolyse<br />
pH<br />
4.5 – 6.3<br />
Caractéristiques<br />
temps O 2<br />
heures<br />
Acidogénèse 4.5 – 6.3 heures<br />
Acetogénèse 6.8 – 7.5 1-4 jours<br />
Méthanogénèse 6.8 – 7.5 5-15 jours
Les facteurs limitants et d’inhibition<br />
Polymères complexes<br />
Monomères, Dimères, a.a., ac. gras<br />
AGV, CO 2, H 2, Alcools<br />
Aci<strong>de</strong> Acétique<br />
CH 4, CO 2<br />
Hydrolyse lignine, mé<strong>la</strong>nge<br />
Acidogénèse<br />
Acetogénèse<br />
exo-enzymes<br />
H 2S, NH 3, sels,<br />
antibiotiques<br />
Excès H 2, H 2S, NH 3,<br />
sels, antibiotiques, T°<br />
Méthanogénèse O2, pH, T°, Cu, sels,<br />
carence en Ni<br />
Etroite association/actions concertées !
1 HYDROLYSE<br />
• Exoenzymes produits par <strong>de</strong>s bactéries anaérobies<br />
facultatives ou obligatoires dégra<strong>de</strong>nt les substrats<br />
insolubles (polymères: cellulose, hémicellulose, amidon,<br />
protéines, lipi<strong>de</strong>s) en fragments solubles (monomères)<br />
• Les bactéries anaérobies facultatives consomment l‟O 2<br />
dissout dans l‟eau et causent <strong>de</strong> ce fait une réduction du<br />
potentiel redox nécessaire au développment <strong>de</strong>s bactéries<br />
anaérobies strictes.<br />
• Gluci<strong>de</strong>s qqus heures<br />
• Proti<strong>de</strong>s et Lipi<strong>de</strong>s qqus heures à qqus jours<br />
• Lignocellulose qqus semaines<br />
• Lignine „ indigestible‟
Bactéries hydrolysantes<br />
Genre Species Description<br />
Bacteroi<strong>de</strong>s uniformis immobiles, Gram-neg, bâtonnets<br />
acidifaciens<br />
vulgatus<br />
ruminico<strong>la</strong><br />
Lactobacilus pentosus immobiles, Gram-pos, bâtonnets<br />
p<strong>la</strong>ntarum endospores<br />
Propioni-bacterium microaerophilium immobiles, Gram-pos, bâtonnets<br />
propionicus<br />
cyclohexanicum<br />
spores X<br />
Sphingomonas subterranea présentes dans les sédiments profonds<br />
Sporobacterium olearium<br />
Megaspheara els<strong>de</strong>nii rumen<br />
Bifidobacterium<br />
X
2 Acidogénèse<br />
Substrate Inorganic<br />
H2O Organic fraction<br />
Carbohydrates Proteins Lipids<br />
Monosacchari<strong>de</strong>s Amino Acids Long Chain Fatty Acids<br />
Anaerobic<br />
<strong>Digestion</strong><br />
Vo<strong>la</strong>tile Fatty Acids<br />
(VFA)<br />
HPr, HBu, HVa,…<br />
HAc<br />
CH 4<br />
HVa: valeric acid (C5)<br />
HBu: butyric acid (C4)<br />
HPr: propionic acid (C3)<br />
HAc: acetic acid (C2)
Bactéries acidogènes<br />
La majorité <strong>de</strong>s acidogènes participent aussi à l’hydrolyse !<br />
Genres: Clostridium, Ruminococcus, Paenibacillus<br />
1. Clostridium: grand groupe diversifié<br />
Clostridium tetani (tétanos) Clostridium botulinum (botulisme) ?
Bactéries acidogènes<br />
2. Ruminococcus: Gluci<strong>de</strong>s Acetate, Formate, Succinate, Lactate<br />
EthOH, H 2, CO 2<br />
3. Paenibacillus: Gluci<strong>de</strong>s Acetate, Formate, Lactate, Propionate
3. Acétogénèse<br />
Les acétogènes produisent obligatoirement H 2<br />
Inhibition si forte pression partielle en H 2<br />
Symbiose nécessaire avec <strong>de</strong>s bactéries consommatrices d‟H 2
3 Acetogénèse<br />
Bactéries homoacetogènes réduisent l‟H 2 et CO 2 en Acétate
Bactéries acetogènes<br />
• Symbiose obligatoire avec <strong>de</strong>s bactéries consommatrices <strong>de</strong> H 2<br />
• Régénération = 84 h<br />
• Aci<strong>de</strong>s organiques, Alcooles, a.a. Acetate, CO 2, H 2
4. Méthanogénèse<br />
Acétoc<strong>la</strong>stiques Hydrogénotrophes
Bactéries methanogènes<br />
• Bactéries primitives = Archaea<br />
• Possè<strong>de</strong>nt le co-facteur F420 (transporteur d‟H 2, autofluorescent)<br />
• Principaux = Methanobacterium, Methanospirillum, Methanosarcina<br />
• Archaea methanogènes =<br />
• Anaerobie stricte !!!<br />
• Substrats = acetate, formate, methanol/H 2, H 2/CO 2<br />
• Nikel dépendantes<br />
Methanosaeta<br />
Methanosarcina<br />
Bactérie méthanogène<br />
en symbiose avec le<br />
protiste Nyctotherus<br />
ovalis (<strong>de</strong>hydrogenase<br />
coenzyme F 420)
H 2<br />
CO 2<br />
aci<strong>de</strong> acétique<br />
Bactéries methanogènes<br />
bactéries hydrognotrophes<br />
METHANOGENESE<br />
bactéries acétoc<strong>la</strong>tiques CH 4<br />
methanol CH4 bactéries methyltrophiques<br />
CH 4<br />
CO 2<br />
1
Compétition Bactérienne<br />
• Bactéries réduisant les sulfates<br />
•Réduisent le SO 4 2- en H2S en utilisant l‟acétate et H 2<br />
• consomment les <strong>de</strong>ux substrats principaux <strong>de</strong> <strong>la</strong> méthanogenèse<br />
• Il faut maintenir un ratio Substrat/ SO 4 2- > 3<br />
•Desulfobacterales<br />
•Desulfovibrionales<br />
•Syntrophobacterales<br />
•Thermo<strong>de</strong>sulfobacteria<br />
Desulfovibrio vulgaris
Compétition Bactérienne<br />
• Bactéries homoacétogènes<br />
•Réduisent H 2 et CO 2 en Acétate<br />
• consomment l‟H 2<br />
•compétition avec les méthanogènes hydrogénotrophes (!)<br />
• favorisent les méthanogènes acétoc<strong>la</strong>stiques (=acétotrophes)<br />
• Digesteurs agricoles<br />
• Passé: CH 4 70% viendrait AcAc et 30% CO 2 + H 2 = CH 4<br />
• Depuis Klocke 2007 et 2008 l‟inverse a été démontré !
Partie Pratique
Les paramètres utiles à suivre<br />
Biogaz à <strong>la</strong> ferme<br />
et les bonnes pratiques pour assurer une<br />
biométhanisation stable
La Biométhanisation à <strong>la</strong> ferme<br />
Substrats = Matière organique :<br />
•Déjections animales<br />
•Production végétale<br />
•Sous-produit <strong>de</strong> l‟agro-<br />
alimentaire, ménages,…<br />
V s (m 3 /j)<br />
A. Quel substrat ? (qualité, digestibilité)<br />
CH 4 , H 2<br />
Quel approvisionnement ? OLR = m S x [DOM] / Vr (DOM kg/m 3 j)<br />
Quel temps <strong>de</strong> séjour ? HRT = Vr / Vs (j)<br />
Vr (m 3 )<br />
T°, pH<br />
CO 2 , H 2S, H 2O<br />
Digestats :<br />
•MO non digérée<br />
•N, P, K<br />
•O<strong>de</strong>ur réduite<br />
m s (kg/j) V D (m 3 /j)<br />
Mé<strong>la</strong>nge<br />
Et <strong>la</strong> BIOLOGIE<br />
Vg (m 3 /j)<br />
%CH 4 %CO 2<br />
m D (kg/j)<br />
C. Les digestats peuvent-ils<br />
encore produire du CH 4 <strong>de</strong><br />
manière rentable ?<br />
B. Phénomènes d‟indigestion ? Acidose, Intoxication NH3, métaux lourds, antibiotiques, sels, T°<br />
?
La <strong>Digestion</strong> <strong>Anaérobie</strong><br />
Polymères complexes<br />
Monomères, Dimères, a.a., ac. gras<br />
AGV, CO 2, H2, Alcoles<br />
Aci<strong>de</strong> Acétique<br />
CH 4, CO 2<br />
Hydrolyse<br />
pH<br />
4.5 – 6.3<br />
Caractéristiques<br />
temps O 2<br />
heures<br />
Acidogénèse 4.5 – 6.3 heures<br />
Acetogénèse 6.8 – 7.5 1-4 jours<br />
Méthanogénèse 6.8 – 7.5 5-15 jours
Les facteurs limitants et d’inhibition<br />
Polymères complexes<br />
Monomères, Dimères, a.a., ac. gras<br />
AGV, CO 2, H 2, Alcools<br />
Aci<strong>de</strong> Acétique<br />
CH 4, CO 2<br />
Hydrolyse lignine, mé<strong>la</strong>nge<br />
Acidogénèse<br />
Acetogénèse<br />
exo-enzymes<br />
H 2S, NH 3, sels,<br />
antibiotiques<br />
Excès H 2, H 2S, NH 3,<br />
sels, antibiotiques, T°<br />
O<br />
Méthanogénèse<br />
2, pH, T°, Cu, sels ,<br />
carence Ni<br />
Etroite association/actions concertées !
Perturbations du processus<br />
• Intoxication due aux AGV (Acidose, pH3kg/m 3 dig.)<br />
• Intoxication due à H 2S (H 2S>50 mg/l dig.)<br />
• Intoxication due à l‟O 2 (O 2>0.1 mg/l dig.)<br />
• Intoxication due aux métaux lourds<br />
(Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd)<br />
• Intoxication due aux<br />
antibiotiques/désinfectants etc…<br />
– Que se passe-t-il ?<br />
– Origine ?<br />
– Comment les détecter ?<br />
– Comment y remédier ?
Acidose<br />
• Que se passe-t-il ?<br />
• Origine<br />
• Comment <strong>la</strong> détecter à temps ?<br />
• Comment y remédier ?
Acidose : Que se passe-t-il ?<br />
Signes annonciateurs<br />
Accumu<strong>la</strong>tion:<br />
• H 2 et CO 2<br />
• aci<strong>de</strong>s organiques<br />
Chute:<br />
•pH<br />
•CH 4, m 3 biogaz<br />
Polymères Complexes<br />
Carbohydrates, Lipids, Proteins, Ac nucléiques<br />
Hydrolysis<br />
monomères, dimères<br />
sucres, aci<strong>de</strong>s gras branchés, a.a.,<br />
Acidogenesis<br />
AGV : Ac., Prop., But,<br />
Alcools, Acetone, CO 2 , H 2<br />
Acetogenesis<br />
Acetate H 2, CO 2<br />
Methanogenesis<br />
CH 4 + CO 2<br />
Bact.Hydrolytiques<br />
Bact. Acidogènes<br />
Bact. Acetogènes<br />
Bact. Methanogènes
Acidose : Origine ?<br />
• Alimentation excessive<br />
• Substrats trop fermentescibles<br />
• Inhibition <strong>de</strong>s ACETOGENES par:<br />
– Antibiotiques, désinfectant<br />
– T°<br />
– H 2S (protéines)<br />
– Sels (STEP)<br />
• Inhibition <strong>de</strong>s METHANOGENES par:<br />
– T°<br />
– Cu, Zn, Cr, Pb, …<br />
– O 2 (introduit avec les substrats)<br />
– Carence en Ni<br />
gas (m3/t)<br />
80<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
Bourbes <strong>de</strong> vinification (riche en sucres solubles)<br />
CH4 (m3/t FM)<br />
CO2 (m3/t FM)<br />
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900<br />
heures
Acidose : Comment <strong>la</strong> détecter ?<br />
1. Paramètres communément disponibles sur site<br />
• Chute <strong>de</strong> production <strong>de</strong> biogaz<br />
• Perte <strong>de</strong> qualité du biogaz (CH 4 < 50%, CO 2 > 50%)<br />
• pH < 7<br />
• Dép<strong>la</strong>cement <strong>de</strong> l‟H 2S vers <strong>la</strong> phase gazeuse<br />
SOUVENT IL EST DEJA TROP TARD !!!
Acidose : Comment <strong>la</strong> détecter ?<br />
2. Paramètres plus sûrs car précurseurs <strong>de</strong> l‟acidose<br />
• Augmentation <strong>de</strong> <strong>la</strong> pression partielle en H 2<br />
• Chute <strong>de</strong> l‟alcalinité totale = pouvoir tampon<br />
= amortisseur d‟acidité<br />
• Accumu<strong>la</strong>tion <strong>de</strong>s AGV et modification <strong>de</strong> <strong>la</strong> ba<strong>la</strong>nce en<br />
AGV (proprotion d‟Ac Ac chute alors que Prop, But,<br />
Val augmentent)
Pression partielle en HYDROGENE (H 2)<br />
• Le plus précoce = H 2 puisqu‟il<br />
inhibe le processus<br />
• H 2 est quasi insoluble dans l‟eau et<br />
se retrouve donc dans <strong>la</strong> phase<br />
gazeuse<br />
mesurer <strong>la</strong> pression partielle en H 2<br />
dans le biogaz 1ppm < H 2 < 100<br />
ppm<br />
• Détecteur à H 2 à prix abordable<br />
existe aujourd‟hui sur le marché<br />
• Attention aux interférences avec<br />
H 2S et NH 3 capteur spécifique<br />
phase <strong>de</strong> développement<br />
Projet INTERREG IV A OPTIBIOGAZ
H 2S concentration (ppm)<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
0<br />
Suivi <strong>de</strong> l‟Hydrogène<br />
Double feeding rate Temperature <strong>de</strong>crease<br />
09/08 11/08 13/08 15/08 17/08 19/08 21/08 23/08 25/08 27/08 29/08<br />
Date<br />
H2S biogas rate<br />
H2 feeding rate<br />
CH4 CO2<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
CH4, CO2 (%) and H2 (ppm) concentration, biogas production rate (mL/min)<br />
and feeding rate (g/100L)
H2 [ppm]<br />
1500.0<br />
1300.0<br />
1100.0<br />
900.0<br />
700.0<br />
500.0<br />
300.0<br />
100.0<br />
-100.0<br />
2011-04-07 00:00<br />
2011-04-17 00:00<br />
Suivi <strong>de</strong> l‟Hydrogène<br />
2011-04-27 00:00<br />
2011-05-07 00:00<br />
Hydrogen<br />
2011-05-17 00:00<br />
Date<br />
Pilot 1 Pilot 2 Pilot 3 Pilot 4<br />
2011-05-27 00:00<br />
2011-06-06 00:00<br />
2011-06-16 00:00<br />
2011-06-26 00:00
Source: Me<strong>la</strong>nie HECHT, unpublished<br />
Chute <strong>de</strong> l‟alcalinité totale<br />
• Alcalinité totale = pouvoir tampon = “amortisseur” d‟acidité<br />
• Principal acteur = CO 2 = carbone inorganique (TIC ou TAC)<br />
• Tampon d'aci<strong>de</strong> carbonique (H 2 CO 3 ) et <strong>de</strong> hydrogénocarbonate<br />
(HCO 3 - ) maintient le pH entre 7,35 et 7,45.<br />
AGV<br />
pH<br />
TIC<br />
6.5 10.4
Comment mesurer l‟alcalinité totale (TIC) ?<br />
Titrateur automatique<br />
www.hach-<strong>la</strong>nge.<strong>de</strong><br />
TIC<br />
TAC= 20ml<br />
V × M TAC× 250<br />
TIC: Total Inorganic Carbonate (mg/kg)<br />
V: volume of sample (mL)<br />
MTAC : amount of 0.05 M sulfuric acid im mL<br />
Problèmes:<br />
•Réalisé en <strong>la</strong>boratoire<br />
•Forte production <strong>de</strong> mousse (CO 2)<br />
•Utilisation H 2SO 4 [conc]<br />
•Son<strong>de</strong> pH pour solution organique
Comment mesurer l‟alcalinité totale (TIC) sur site?<br />
http://www.biogaspro.<strong>de</strong>/in<strong>de</strong>x.html
Le QUANTOFIX ou l‟AGRO-LISIER pourraient être adaptés<br />
Coopagri Bretagne, mars 1995<br />
TIC<br />
CO 2 + H 2O H 2CO 3
Accumu<strong>la</strong>tion <strong>de</strong>s AGV tot et modification <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
composition en AGV<br />
• Lorsque l‟Acetogenèse est inhibée par l‟excès d‟H 2, les AGV <strong>de</strong><br />
taille supérieure à l‟acétate (C2) s‟accumulent<br />
• Le premier à s‟accumuler est l‟Ac propionique (C3)<br />
Dans <strong>la</strong> pratique il n‟y a pas <strong>de</strong><br />
valeur standard pour les AGV tot<br />
Chaque digesteur est unique !
• Spectre en AGV<br />
• C2 Ac Acétique CH 3-COOH<br />
• C3 Ac Propionique CH 3-CH 2-COOH<br />
• C3 Ac Lactique CH 3-CHOH-COOH<br />
• C4 Ac Butyrique CH 3-(CH 2) 2-COOH<br />
• C5 Ac Valérique CH 3-(CH 2) 3-COOH<br />
• C6 Ac Caproïque CH 3-(CH 2) 4-COOH<br />
• C8 Ac Caprylique CH 3-(CH 2) 6-COOH<br />
• C10 Ac Caprique CH 3-(CH 2) 8-COOH<br />
• Extraction par entraînement à <strong>la</strong> vapeur et<br />
titration (AGV tot), Chromatographie<br />
• Les premiers à s‟accumuler sont les AGV <strong>de</strong><br />
taille supérieure à l‟acetate. Accumu<strong>la</strong>tion du<br />
propionique au détriment <strong>de</strong> l‟acétique<br />
• Les AGV branchés (isoBut, isoVal) sont plus<br />
difficilement transformés en Acétate<br />
• [Ac Acétique] / [Ac propionique] 3 est OK<br />
4.50 µS<br />
3.00<br />
2.00<br />
1.00<br />
0.00<br />
– Lactic acid<br />
- Acetic acid<br />
- Propionic acid<br />
10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0 27.5 30.0 32.5 35.0 37.5 40.0<br />
- i-Butyric acid<br />
- n-Butyric acid<br />
min
Acidose : Comment y remédier ?<br />
• Stopper l‟alimentation !!!<br />
• Mé<strong>la</strong>nger pour favoriser les échanges entre bactéries<br />
• Diluer ?<br />
• Ajout <strong>de</strong> NaHCO 3 (CaO, CaCO 3)<br />
•Réaction rapi<strong>de</strong><br />
•Augmentation du pH et <strong>de</strong> <strong>la</strong> capacité tampon <strong>de</strong>s digestats<br />
•Faire un test préliminaire (10 litres <strong>de</strong> digestat + incrément <strong>de</strong> 1 g <strong>de</strong><br />
NaHCO 3 jusqu‟à un pH <strong>de</strong> 7.8 puis extrapoler au volume du digesteur)<br />
•Un stock <strong>de</strong> sécurité <strong>de</strong> 500 kg est recommandable<br />
• Dévier le digestat acidifié vers un méthaniseur à lit fixe
Perturbations du processus<br />
• Intoxication due aux AGV (Acidose, pH 3kg/m 3 dig.)<br />
• Intoxication due à H 2S (H 2S > 50 mg/l dig.)<br />
• Intoxication due à l‟O 2 (O 2 >0.1 mg/l dig.)<br />
• Intoxication due aux métaux lourds<br />
(Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd)<br />
• Intoxication due aux<br />
antibiotiques/désinfectants etc…<br />
– Que se passe-t-il ?<br />
– Origine ?<br />
– Comment les détecter ?<br />
– Comment y remédier ?
Intoxication à NH 3<br />
• Que se passe-t-il ?<br />
• Origine<br />
• Comment <strong>la</strong> détecter à temps ?<br />
• Comment y remédier ?
Intoxication à NH 3 : Que se passe-t-il ?<br />
•Excès <strong>de</strong> protéines dans <strong>la</strong> ration<br />
Polymères Complexes<br />
Carbohydrates, Lipids, Proteins, Ac nucléiques<br />
Hydrolysis<br />
monomères, dimères<br />
sucres, aci<strong>de</strong>s gras branchés, a.a.,<br />
Acidogenesis<br />
AGV : Ac., Prop., But,<br />
Alcools, Acetone, CO 2 , H 2<br />
Acetogenesis<br />
Acetate H2, CO2<br />
Methanogenesis<br />
CH4 + CO2<br />
•Accumu<strong>la</strong>tion d‟NH 3 dans le<br />
digestat pH augmente !<br />
•Effet inhibiteur principal <strong>de</strong> NH 3<br />
sur les Acétogènes et les<br />
Acidogènes<br />
•L‟Hydrolyse et <strong>la</strong> Méthanogenèse<br />
fonctionnent<br />
•Accumu<strong>la</strong>tion <strong>de</strong> monomères,<br />
AGV <strong>de</strong> gran<strong>de</strong> taille, aci<strong>de</strong>s<br />
aminés, sucres, alcools, acétone,…<br />
•CH 4/CO 2 reste favorable !!!<br />
•Nm 3 biogaz chute
Intoxication à NH 3 : Origine ?<br />
• NH 3 > 3 kg/m3 <strong>de</strong> digestat<br />
• Les bactéries montrent en<br />
général une bonne capacité<br />
d‟adaptation<br />
• Si le pH ou <strong>la</strong> T° augmente le<br />
N-NH 3 <strong>de</strong>vient encore plus<br />
toxique (fragilité thermophile)<br />
• Substrats riches en protéines<br />
• Rapport C/N < 30<br />
• Gluten, protéines animales,<br />
lisiers, fumier <strong>de</strong> vo<strong>la</strong>ille,…<br />
NH3 + H2O NH4 + + OH -<br />
C‟est <strong>la</strong> forme N-NH 3 qui est toxique !
Intoxication à NH 3 : Comment <strong>la</strong> détecter ?<br />
Titrateur automatique Métho<strong>de</strong>s colorimétriques<br />
www.hach-<strong>la</strong>nge.<strong>de</strong><br />
Hors site<br />
Problèmes:<br />
•Préparation <strong>de</strong> l‟échantillon<br />
•Forte dilution nécessaire
Comment mesurer NH 3 sur site ?<br />
•Ajout d‟une base en excès<br />
•Et d‟un oxydant fort NaOCl<br />
•NH 4 + est converti en NH3 qui est a<br />
son tour oxydé en NCl 3 insoluble<br />
•On mesure le volume <strong>de</strong> NCl 3<br />
produit par dép<strong>la</strong>cement <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
colonne d‟eau<br />
•Pro: Simple et robuste<br />
•Con: NaOH [conc] et oxydant fort<br />
PROTECTION
Le QUANTOFIX ou l‟AGRO-LISIER pourraient être adaptés<br />
N-NH3<br />
NH3+NaOCl NH2Cl+NaOH<br />
NH2Cl+NaOCl NHCl2+NaOH<br />
NHCl2+NaOCl NCl3+NaOH<br />
Coopagri Bretagne, mars 1995
No<br />
<strong>la</strong>boratoire<br />
Désignation<br />
<strong>de</strong><br />
l’échantillon<br />
Exemple d‟intoxication à NH 3<br />
pH Total <strong>de</strong>s<br />
aci<strong>de</strong>s gras<br />
vo<strong>la</strong>tils en<br />
mg/kg dans<br />
<strong>la</strong> matière<br />
telle quelle<br />
Aci<strong>de</strong><br />
acétique<br />
en mg/kg<br />
dans <strong>la</strong><br />
matière<br />
telle quelle<br />
Aci<strong>de</strong><br />
propionique<br />
en mg/kg<br />
dans <strong>la</strong><br />
matière telle<br />
quelle<br />
Aci<strong>de</strong><br />
isobutyrique<br />
en mg/kg<br />
dans <strong>la</strong><br />
matière telle<br />
quelle<br />
Aci<strong>de</strong><br />
butyrique<br />
en mg/kg<br />
dans <strong>la</strong><br />
matière telle<br />
quelle<br />
Aci<strong>de</strong><br />
isovalérique<br />
en mg/kg<br />
dans <strong>la</strong><br />
matière telle<br />
quelle<br />
Aci<strong>de</strong><br />
valérique<br />
en mg/kg<br />
dans <strong>la</strong><br />
matière<br />
telle quelle<br />
Aci<strong>de</strong><br />
caproïque<br />
en mg/kg<br />
dans <strong>la</strong><br />
matière telle<br />
quelle<br />
1726/09 Digesteur 1 7,9 9.433 3.906 4.418 314 71 593 119 12<br />
1727/09 Digesteur 2 8,0 1.597 187 1.390 10 2 8 - -<br />
1728/09 Digesteur 3 8,1 1.860 165 1.671 14 1 9 - -
Intoxication à NH 3 : Que faire ?<br />
• Peu <strong>de</strong> recommendation dans <strong>la</strong> litterature !<br />
• Stopper l‟alimentation avec le substrat fautif riche en<br />
protéines et source du NH 3<br />
• Acidifier le digestat (AcAc), Diluer ??<br />
• Réalimenter pru<strong>de</strong>mment avec un substrat fortement<br />
fermentescible pour retrouver un rapport C/N favorable = 30 :<br />
production d‟aci<strong>de</strong><br />
chute du pH<br />
NH 3 passe sous forme NH 4 +<br />
toxicité diminue<br />
L‟Acetogenèse et l‟Acidogenèse reprennent
Perturbations du processus<br />
• Intoxication due aux AGV (Acidose, pH 3kg/m 3 dig.)<br />
• Intoxication due à H 2S (H 2S > 50 mg/l dig.)<br />
• Intoxication due à l‟O 2 (O 2 >0.1 mg/l dig.)<br />
• Intoxication due aux métaux lourds<br />
(Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd)<br />
• Intoxication due aux<br />
antibiotiques/désinfectants etc…<br />
– Que se passe-t-il ?<br />
– Origine ?<br />
– Comment les détecter ?<br />
– Comment y remédier ?
Intoxication à H 2S<br />
• Que se passe-t-il ?<br />
• Origine<br />
• Comment <strong>la</strong> détecter à temps ?<br />
• Comment y remédier ?
Intoxication à H 2S : Que se passe-t-il ?<br />
Polymères Complexes<br />
Carbohydrates, Lipids, Proteins, Ac nucléiques<br />
Hydrolysis<br />
monomères, dimères<br />
sucres, aci<strong>de</strong>s gras branchés, a.a.,<br />
Acidogenesis<br />
AGV : Ac., Prop., But,<br />
Alcools, Acetone, CO 2 , H 2<br />
Acetogenesis<br />
Acetate H2, CO2<br />
Methanogenesis<br />
CH4 + CO2<br />
•Excès <strong>de</strong> protéines dans <strong>la</strong> ration<br />
•Accumu<strong>la</strong>tion d‟ H 2S dans le digestat<br />
• Effet inhibiteur principal <strong>de</strong> H 2S sur les<br />
Méthanogènes hydro-génotrophes, moins<br />
sur les acétoc<strong>la</strong>stiques, mais aussi sur les<br />
Acidogènes et Acétogènes<br />
•L‟Hydrolyse et <strong>la</strong> Méthanogenèse<br />
fonctionnent malgré tout<br />
•Accumu<strong>la</strong>tion <strong>de</strong> monomères, AGV <strong>de</strong><br />
gran<strong>de</strong> taille, aci<strong>de</strong>s aminés, sucres,<br />
alcools, acétone,…<br />
•CH 4/CO 2 reste favorable !!!<br />
•Nm 3 biogaz chute
Intoxication à H 2S : Origine ?<br />
• H 2S > 50 mg/l <strong>de</strong> digestat<br />
• H 2S ± 2 000 ppm biogaz<br />
• Si le pH chute H 2S <strong>de</strong>vient<br />
encore plus toxique (HS - H 2S)<br />
C‟est <strong>la</strong> forme H 2S qui est toxique !<br />
• Substrats riches en protéines<br />
• Kératine = corne, peau, poils,<br />
plume…<br />
• protéines animales, lisiers,<br />
fumier, colza et autres<br />
crucifères (Brassicaceae)<br />
• Vitamines (biotine, thiamine,<br />
coenzyme A)<br />
-s-s-<br />
Méthionine Cystéine<br />
Structure spatiale <strong>de</strong>s protéines
Plumes :<br />
MS : 26,5 %<br />
MOS : 95,6 %<br />
Production cumulée <strong>de</strong> CH4 [Nm³/ t FM]<br />
Intoxication à H 2S : Exemple<br />
35.0<br />
30.0<br />
25.0<br />
20.0<br />
15.0<br />
10.0<br />
5.0<br />
Plumes <strong>de</strong> poulet : Production cumulée <strong>de</strong> CH4 et <strong>de</strong> CO2<br />
(MATIERE FRAICHE)<br />
0.0<br />
0 5 10 15 20 25 30 35 40<br />
Temps [Jours]<br />
•CH 4/CO 2 reste favorable !!!<br />
•Nm 3 biogaz chute<br />
• Plumes: faible digestibilité et risque <strong>de</strong> corrosion pour les digesteurs et les<br />
groupes <strong>de</strong> cogénération. (cornes, poils, plumes, colza, …)<br />
CH4<br />
CO2
Intoxication à H 2S : Comment <strong>la</strong> détecter ?<br />
Analyseur <strong>de</strong> gaz sur site<br />
Capteur électrochimique<br />
700 ppm Mort Immédiate <br />
Rappel:<br />
•L‟intoxication à l‟ H 2S provoque<br />
principalement l‟inhibition <strong>de</strong>s<br />
Acétogènes:<br />
Accumu<strong>la</strong>tion <strong>de</strong>s AGV<br />
Chute du pH<br />
HS - H 2S<br />
Dép<strong>la</strong>cement vers <strong>la</strong> phase<br />
gazeuse<br />
Détection accrue d‟ H 2S dans<br />
le biogaz<br />
CORROSION !!!
Intoxication à H 2S : Que faire ?<br />
• Peu <strong>de</strong> recommendation dans <strong>la</strong> litterature !<br />
• Stopper l‟alimentation avec le substrat fautif riche en<br />
protéines soufrées, repos<br />
• Reprendre l‟alimentation pru<strong>de</strong>mment avec un substrat<br />
fortement fermentescible pour retrouver un rapport C/N<br />
favorable = 30 :<br />
production d‟aci<strong>de</strong><br />
chute du pH<br />
H 2S est dép<strong>la</strong>cé vers <strong>la</strong> phase gazeuse<br />
Insuff<strong>la</strong>tion d‟O 2 dans le biogaz<br />
2 H 2S + O 2 S 2 + 2 H 2O (fleur <strong>de</strong> soufre, élémentaire)<br />
L‟Acetogenèse et l‟Acidogenèse reprennent
Perturbations du processus<br />
• Intoxication due aux AGV (Acidose, pH 3kg/m 3 dig.)<br />
• Intoxication due à H 2S (H 2S > 50 mg/l dig.)<br />
• Intoxication due à l‟O 2 (O 2 >0.1 mg/l dig.)<br />
• Intoxication due aux métaux lourds<br />
(Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd)<br />
• Intoxication due aux<br />
antibiotiques/désinfectants etc…<br />
– Que se passe-t-il ?<br />
– Origine ?<br />
– Comment les détecter ?<br />
– Comment y remédier ?
Intoxication à O 2<br />
• Que se passe-t-il ?<br />
– O 2 > 0.1 mg/l digestat<br />
– Seul l‟Hydrolyse fonctionne bien<br />
– Accumu<strong>la</strong>tion <strong>de</strong> monomères<br />
• Origine<br />
– Introduction avec les substrats (pailles)<br />
– Désulfurisation biologique (O 2)<br />
• Comment <strong>la</strong> détecter ?<br />
– Capteur O 2 (biogaz)<br />
– Nm 3 Biogaz chute<br />
– CH 4 chute<br />
• Comment y remédier ?<br />
– Substrats <strong>de</strong>nses<br />
– Contrôle <strong>de</strong> <strong>la</strong> désulfurisation biologique<br />
Hydrolyse<br />
Acidogénèse<br />
Acetogénèse<br />
Méthanogénèse
Perturbations du processus<br />
• Intoxication due aux AGV (Acidose, pH 3kg/m 3 dig.)<br />
• Intoxication due à H 2S (H 2S > 50 mg/l dig.)<br />
• Intoxication due à l‟O 2 (O 2 >0.1 mg/l dig.)<br />
• Intoxication due aux métaux lourds<br />
(Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd)<br />
• Intoxication due aux<br />
antibiotiques/désinfectants etc…<br />
– Que se passe-t-il ?<br />
– Origine ?<br />
– Comment les détecter ?<br />
– Comment y remédier ?
Intoxication aux métaux lourds
Intoxication aux métaux lourds<br />
• Que se passe-t-il ?<br />
– La méthanogenèse est inhibée<br />
– Les autres phases fonctionnent<br />
• Origine<br />
– Cu > 50 mg/l<br />
– Zn > 150 mg/l<br />
– Cr > 100 mg/l<br />
• Comment <strong>la</strong> détecter ?<br />
– CH 4 chute, AGV augmentent, pH chute = Acidose<br />
– Dosage <strong>de</strong>s métaux lourds en <strong>la</strong>boratoire<br />
– ICP-MS (Inductively Coupled P<strong>la</strong>sma - MS)<br />
• Comment y remédier ?<br />
– Eviter les substrats d‟origine inconnue<br />
– NaHCO 3<br />
Hydrolyse<br />
Acidogénèse<br />
Acetogénèse<br />
Méthanogénèse
Perturbations du processus<br />
• Intoxication due aux AGV (Acidose, pH 3kg/m 3 dig.)<br />
• Intoxication due à H 2S (H 2S > 50 mg/l dig.)<br />
• Intoxication due à l‟O 2 (O 2 >0.1 mg/l dig.)<br />
• Intoxication due aux métaux lourds<br />
(Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd)<br />
• Intoxication due aux<br />
antibiotiques/désinfectants etc…<br />
– Que se passe-t-il ?<br />
– Origine ?<br />
– Comment les détecter ?<br />
– Comment y remédier ?
Intoxication aux AB désinfectants, etc…<br />
• Que se passe-t-il ?<br />
– Acidogenèse et Acétogenèse inhibées<br />
– Hydrolyse et Méthanogenèse fonctionnent<br />
• Origine<br />
– Médication animale (mammite)<br />
– Bactériostatiques (élevage porcin)<br />
– Désinfectants (salle <strong>de</strong> traite)<br />
– Poubelle “verte” (AB à usage humain)<br />
• Comment <strong>la</strong> détecter ?<br />
– CH 4 CO 2 biogaz chutent (Acidose ou Intox NH 3)<br />
– Monomères augmentent<br />
– Dosage <strong>de</strong>s xénobiotiques en <strong>la</strong>boratoire<br />
– HPLC<br />
Hydrolyse<br />
Acidogénèse<br />
Acetogénèse<br />
• Comment y remédier ?<br />
– Eviter les substrats d‟origine inconnue Méthanogénèse<br />
– Séparer les animaux ma<strong>la</strong><strong>de</strong>s du troupeau<br />
– Stockage 2-3 semaines, <strong>la</strong> plupart sont dégradés
INTERROGATION<br />
Prenez un quart <strong>de</strong> feuille svp !
1. Les substrats rapi<strong>de</strong>ment hydrolysés<br />
Pomme <strong>de</strong> terre<br />
Mé<strong>la</strong>sse, Fruits<br />
Céréales en grain<br />
Bourbes, Racines<br />
Substrat<br />
à digestion<br />
rapi<strong>de</strong><br />
Substrats Production théorique<br />
<strong>de</strong> biogaz<br />
Composition théorique<br />
<strong>de</strong> biogaz<br />
Nl/kg DOM CH 4 (%) CO 2 (%)<br />
hydrates <strong>de</strong> carbone 746 50 50<br />
Lipi<strong>de</strong>s 1390 72 28<br />
Proteines 800 60 40<br />
Biogaz<br />
Aci<strong>de</strong>s<br />
organiques CH 4<br />
Rq: Même effet si on suralimente le digesteur<br />
CO 2
2. Les substrats hydrolysés « idéalement »<br />
Cellulose<br />
Ensi<strong>la</strong>ge <strong>de</strong> maïs et <strong>de</strong> céréales immatures, fumier<br />
(apport en bactéries méthanogènes), …<br />
Substrat<br />
Substrats Production théorique<br />
<strong>de</strong> biogaz<br />
à digestion<br />
« régulée » Aci<strong>de</strong>s<br />
organiques<br />
Composition théorique<br />
<strong>de</strong> biogaz<br />
Nl/kg DOM CH 4 (%) CO 2 (%)<br />
hydrates <strong>de</strong> carbone 746 50 50<br />
Lipi<strong>de</strong>s 1390 72 28<br />
Proteines 800 60 40<br />
Biogaz<br />
CH 4<br />
CO 2
3. Les substrats lentement hydrolysés<br />
et fortement méthanogènes<br />
<strong>de</strong> part leur composition<br />
Graisses (insolubles dans l‟eau)<br />
Huiles<br />
Boues <strong>de</strong> <strong>la</strong>iterie, fromagerie, choco<strong>la</strong>terie Biogaz<br />
Substrat<br />
Substrats Production théorique<br />
<strong>de</strong> biogaz<br />
à digestion<br />
lente Aci<strong>de</strong>s<br />
organiques<br />
Composition théorique<br />
<strong>de</strong> biogaz<br />
Nl/kg DOM CH 4 (%) CO 2 (%)<br />
hydrates <strong>de</strong> carbone 746 50 50<br />
Lipi<strong>de</strong>s 1390 72 28<br />
Proteines 800 60 40<br />
CH 4<br />
CO 2
4. Les substrats riches en protéines<br />
fortement méthanogènes<br />
Déchets d‟abattoire<br />
Touteau <strong>de</strong> Colza<br />
Protéines<br />
Substrats Production théorique<br />
<strong>de</strong> biogaz<br />
Aci<strong>de</strong>s<br />
organiques<br />
Composition théorique<br />
<strong>de</strong> biogaz<br />
Nl/kg DOM CH 4 (%) CO 2 (%)<br />
hydrates <strong>de</strong> carbone 746 50 50<br />
Lipi<strong>de</strong>s 1390 72 28<br />
Proteines 800 60 40<br />
Protéines riches en Méthionine et Cystéine Biogaz<br />
Si Excès NH 3 et H 2S<br />
CH 4<br />
CO 2
<strong>Digestion</strong> en 2 étapes<br />
• On surralimente l‟Hydrolyseur<br />
• Production rapi<strong>de</strong> et importante d‟Aci<strong>de</strong>s organiques<br />
• Inhibition <strong>de</strong>s Acétogènes et Méthanogènes<br />
• Production <strong>de</strong> CO 2 (80%) et d‟H 2 (20%)<br />
• Dégradation <strong>de</strong> molécules<br />
récalcitrantes (ulvanes)<br />
• Substrats fortement<br />
dégradables présentant un<br />
risque d‟acidose (fruits,<br />
légumes, racines, …)<br />
• Fumier, ensi<strong>la</strong>ges<br />
Hydrolyseur<br />
CO 2 H 2<br />
H 2S<br />
Ac org.<br />
Méthaniseur<br />
CH4 =70%
Diagnostic ?<br />
Ration:<br />
1500 kg/j <strong>de</strong> céréales<br />
750 kg/j <strong>de</strong> contenu <strong>de</strong> pense <strong>de</strong> vache<br />
750 kg/j graisses <strong>de</strong> flottation<br />
Echantillon pH<br />
AGV<br />
totaux<br />
en<br />
mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Aci<strong>de</strong><br />
acétique<br />
en mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Aci<strong>de</strong><br />
propionique<br />
en mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Analyse du digestat:<br />
FOS: 17.300 mg/l<br />
TAC: 24.800 mg/l<br />
FOS/TAC 0,70<br />
pH 7,95<br />
Ntot: 10 g/l<br />
N-NH 3: 7.9 g/l<br />
Aci<strong>de</strong><br />
isobutyriqu<br />
e en mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Aci<strong>de</strong><br />
butyrique<br />
en mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Aci<strong>de</strong><br />
isovalériqu<br />
e en mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Biogaz:<br />
CH4: 58%<br />
CO2: 41%<br />
Faible production<br />
Aci<strong>de</strong><br />
valérique<br />
en mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Aci<strong>de</strong><br />
caproïque<br />
en mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Digesteur 1 7.9 17300 6206 10018 514 71 593 119 12<br />
Digesteur 2 8.0 1597 187 1390 10 2 8 - -<br />
Digesteur 3 8.1 1860 165 1671 14 1 9 - -
Diagnostic ?<br />
Biogaz:<br />
CH4: 48%<br />
CO2: 50%<br />
Faible production<br />
Echantillon pH<br />
AGV<br />
totaux<br />
en<br />
mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Aci<strong>de</strong><br />
acétique<br />
en mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Aci<strong>de</strong><br />
propionique<br />
en mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Aci<strong>de</strong><br />
isobutyrique<br />
en mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Aci<strong>de</strong><br />
butyrique<br />
en mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Aci<strong>de</strong><br />
isovalérique<br />
en mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Aci<strong>de</strong><br />
valérique<br />
en mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Aci<strong>de</strong><br />
caproïque<br />
en mg/kg<br />
<strong>de</strong> MS<br />
Digesteur 5.5 14 883 5 050 2 327 270 3 693 540 1 428 1 575
• Connaissance <strong>de</strong>s substrats<br />
Conclusions<br />
• Suivi quotidien <strong>de</strong> <strong>la</strong> T°, CH 4, CO 2, H 2S, O 2, H 2<br />
• Suivi hebdomadaire du pouvoir tampon (TIC)<br />
• Suivi NH 3 si substrats à risques<br />
• Isoler les effluents <strong>de</strong>s animaux ma<strong>la</strong><strong>de</strong>s<br />
• Attention aux métaux lourds sous forme soluble (Cu, Zn)<br />
• Attention au sels (KCl, NaCl) STEP<br />
• Attention aux cosmétiques (SiH4, siloxanes)<br />
• Contrôle rapproché <strong>de</strong> l‟insuf<strong>la</strong>tion d‟O 2<br />
• Chaque digesteur est unique !
Merci !<br />
Références:<br />
CO 2<br />
Dieter Deublein and Angelika Steinhauser. 2008. Biogas from<br />
wastes and Renewable resources. Wiley-VCH Ver<strong>la</strong>g GmbH & Co<br />
KGaA, Weinheim, Germany. 443 pp. (ISBN 978-3-527-31841-4)<br />
Michael H. Gerardi. 2003. The microbiology of anaerobic<br />
digesters. Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken,<br />
New Jersey. 177 pp. (ISBN 0-471-20693-8)<br />
CH 4