Julien BOLLON - Lgcie
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Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Caractérisation des transferts<br />
chimiques et modélisation des<br />
réacteurs de méthanisation par<br />
voie sèche<br />
<strong>Julien</strong> <strong>BOLLON</strong><br />
Doctorat dirigé par :<br />
Hassen BENBELKACEM<br />
Pierre BUFFIERE
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Sommaire<br />
I. Contexte et objectifs<br />
II. Le projet de thèse<br />
III. Conclusions et perspectives
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
I. Contexte et objectifs
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
I. Contexte et objectifs<br />
Les ordures ménagères en France<br />
Tri (13%)<br />
Traitement<br />
biologiques (6%)<br />
(ADEME 2007)<br />
26 millions de tonnes en 2007<br />
Traitement<br />
thermique (43%)<br />
Enfouissement<br />
(39%)
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
I. Contexte et objectifs<br />
La méthanisation<br />
Turbine à gaz<br />
Chauffage<br />
Biogaz (60%<br />
méthane)<br />
-déchets verts<br />
-OMR<br />
-déchets Industriels<br />
(agroalimentaire,<br />
Matière<br />
papier, organique chimie..)<br />
-déchets<br />
d’abattoir...<br />
O 2<br />
Microorganismes<br />
Usine de<br />
méthanisation<br />
Digestat (MO<br />
dégradée)
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
I. Contexte et objectifs<br />
Différents types d’installations et modes de<br />
fonctionnement :<br />
-Thermophile (55°C) / mésophile (35°C)<br />
-mono / multi-étapes<br />
-Voie humide / voie sèche
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
I. Contexte et objectifs<br />
Exemple de milieu de digestion par voie sèche
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
I. Contexte et objectifs<br />
Problématiques<br />
Méconnaissance scientifiques et techniques sur la<br />
méthanisation par voie sèche<br />
-caractérisation des milieux<br />
-rhéologie des milieux<br />
-échanges de matière dans les milieux<br />
-équilibres entre les phases<br />
-loi de mélange<br />
Projet ANR ANAMIX (collaboration scientifique et<br />
technique, INSA Lyon, LBE Narbonne, VALORGA Int)
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
I. Contexte et objectifs<br />
Objectifs de la thèse<br />
Transferts de<br />
matière<br />
Equilibres<br />
entre phases<br />
Loi de<br />
mélange<br />
Modèle<br />
biologique<br />
(ADM1)<br />
Modèle<br />
global
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
II. Le projet de thèse
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
II. Le projet de thèse<br />
Transferts de<br />
matière<br />
Equilibres<br />
Loi de<br />
mélange<br />
Modèle<br />
biologique<br />
Modèle<br />
global
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Les équilibres : objectif du<br />
travail<br />
Problématique : Les microorganismes<br />
utilisent les substrats sous forme soluble.<br />
Caractérisation de la sorption de certains<br />
solutés (AGV, NH4 + ) sur une matrice réelle<br />
afin de l’intégrer dans le modèle.<br />
Méthodes : tests de sorption/désorption
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Les équilibres : Essais de sorption<br />
d’AGV sur matrice « digestat »<br />
Problématique : sorption des AGV sur les solides (ou<br />
sur une autre phase) ?<br />
Objectif : Mesurer la sorption des AGV<br />
intégration dans le modèle final.<br />
Méthodologie :<br />
-Mise en contact des digestats avec des solutions<br />
chargées en acide valérique<br />
-mesure des quantités résiduelles en phase liquide.
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
La sorption: Résultats<br />
Correlation C°attendue/C° mesurée<br />
Concentratio mesurée (mg/L)<br />
14000<br />
12000<br />
10000<br />
8000<br />
6000<br />
4000<br />
2000<br />
0<br />
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000<br />
Concentration initiale (mg/L)<br />
y = 0,9189x<br />
R 2 = 0,9993<br />
acide valérique<br />
dilution parfaite<br />
Y = 0.9189 x il y a environ 8% de sorption d’acide organique dans<br />
le milieu de digestion
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Conclusions<br />
- pas ou peu de désorption lors d’ajouts<br />
d’eau croissants;<br />
- sorption faible des acides organiques aux<br />
concentrations opératoires.<br />
Les AGV sont très majoritairement<br />
présents en phase liquide (+ de 90%) et<br />
sont donc disponibles directement aux<br />
microorganismes
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Transferts de<br />
matière<br />
Equilibres<br />
Loi de<br />
mélange<br />
Modèle<br />
biologique<br />
Modèle<br />
global
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
La diffusion en digestion sèche<br />
Constats :<br />
-Réacteurs VALORGA agités 1 fois par heure<br />
Transport de matière diffusif primordial en<br />
absence de mouvements convectifs.<br />
-Phénomènes diffusifs relativement méconnus<br />
dans les milieux pâteux.
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
La diffusion<br />
• Objectifs :<br />
-caractériser les transferts de matière diffusifs propres à<br />
la voie sèche<br />
-les comparer aux cinétiques de dégradation/convection<br />
dans les digesteurs<br />
• Techniques :<br />
Mise au point d’un protocole permettant la détermination<br />
des coefficients de diffusion dans le milieu « digestat »<br />
montage d’une cellule de diffusion
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Cellule de diffusion<br />
Tige de<br />
fixation<br />
Agitateur<br />
mécanique<br />
Cellule<br />
conductimétrique<br />
Membrane<br />
« digestat »<br />
Grille + filtres<br />
Sommet<br />
Tige de liaison<br />
base/sommet<br />
Compartiment<br />
récepteur<br />
Cellule<br />
conductimétrique<br />
Tube de<br />
liaison<br />
Embase<br />
Schéma du dispositif de cellule de diffusion<br />
Agitation<br />
magnétique
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
La diffusion<br />
• Essais préliminaires sur la cellule de<br />
diffusion (constante de cellule,<br />
optimisation de la géométrie et des<br />
structures du montage)
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
La diffusion<br />
conclusion et perspectives<br />
• Etude novatrice dans les systèmes de digestion<br />
par voie sèche.<br />
• Tests à effectuer sur un milieu réel.<br />
• Intégration des résultats dans le modèle.
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Transferts de<br />
matière<br />
Equilibres<br />
Loi de<br />
mélange<br />
Modèle<br />
biologique<br />
Modèle<br />
global
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Le modèle biologique<br />
Modèle basé sur un modèle existant : ADM1<br />
- modèle biologique qui retranscrit l’évolution d’un<br />
milieu de digestion homogène grâce à la<br />
croissance des micro-organismes.<br />
- cinétiques de formation/dégradation des<br />
composés du processus de dégradation en les<br />
couplant aux cinétiques microbiologiques.
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Le modèle biologique<br />
Modèle très complexe (26 paramètres d’état) et<br />
non adapté à la voie sèche (unités...)<br />
Simplification du modèle et réduction des<br />
paramètres d’état (6)<br />
Mais nécessité d’Alimenter notre modèle avec des<br />
paramètres propres à la voie sèche
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Les étapes de dégradation<br />
Issu de la<br />
caractérisation<br />
Matière<br />
Composite (X c<br />
)<br />
Soluble dégradable<br />
(Ssd)<br />
Inertes<br />
DHA<br />
Acétogénèse<br />
Méthanogénèse<br />
Biomasse (B)<br />
Propionate (S pro<br />
)<br />
H 2<br />
(S H2<br />
)<br />
CO 2 (S IC )<br />
Acetate (S ac<br />
)<br />
Biogaz<br />
Méthane (S CH4<br />
) + CO2 (S CO2<br />
)
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Calage de la phase de<br />
méthanogénèse
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Modélisation : conclusions et<br />
perspectives<br />
• Calage des phases d’acétogénèse et<br />
de DHA<br />
• Lien entre les cellules unitaires, mise<br />
en avant d’une loi de brassage dans<br />
les réacteurs.<br />
• Inclusion de paramètres propres à la<br />
voie sèche : influence de la teneur en<br />
eau.
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Modélisation :<br />
Le réacteur pilote
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
III. Conclusions et<br />
perspectives
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Perspectives<br />
Equilibres : essais de sorption avec d’autres molécules<br />
(ammoniums) et d’autres matériaux (bois..)<br />
Diffusion : essais de diffusion sur du digestat réel,<br />
obtention de paramètres propres à la digestion sèche.<br />
Modélisation<br />
Cellule unitaire du modèle réalisée<br />
couplage/interaction entre les cellules, lois de brassage à<br />
réaliser.<br />
calage des paramètres (DHA/acétogénèse) avec les<br />
résultats obtenus sur propionate et réacteur pilote.
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Merci de votre<br />
attention
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
La voie sèches<br />
Avantages<br />
-Meilleur rendement (moins de<br />
refus que la voie classique)<br />
-procédé plus efficace<br />
(production de biogaz)<br />
-Plus petite taille<br />
-charge organique + élevée<br />
Inconvénients<br />
-Milieu « pâteux »<br />
exploitation plus difficile<br />
(ex : difficultés de pompage)<br />
-Fonctionnement moins bien<br />
connu<br />
-Connaissances scientifiques<br />
limitées sur ces systèmes
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
Le procédé VALORGA<br />
Fonctionnement<br />
biologique continu<br />
Procédé<br />
mono-étape<br />
Procédé sec :<br />
pas de séparation de<br />
phase<br />
ni sédimentation<br />
Agitation verticale par<br />
recirculation de<br />
biogaz<br />
Absence<br />
d'équipements<br />
mécaniques<br />
dans le digesteur<br />
Cheminement continu<br />
des matières<br />
Température de<br />
fonctionnement<br />
mésophile ou<br />
thermophile<br />
Extraction par simple<br />
gravité
Séminaire doctorants 2010<br />
Valgrisenche, Italie<br />
CH 4<br />
CO 2<br />
H 2 O<br />
H 2<br />
gas<br />
composites<br />
death/decay<br />
inert<br />
s<br />
gas<br />
Biochemical<br />
NH 4<br />
+<br />
proteins carbohydrates lipids<br />
liquid<br />
AA MS<br />
NH 3<br />
HAc, HPr, HBu, HVal, CO 2 , NH 3 ,LCFA Ac - , Pr - , Bu - , Val - , HCO -<br />
3 , NH +<br />
4 ,LCFA -<br />
HAc H 2<br />
CO 2<br />
HCO 3<br />
-<br />
growth<br />
CH<br />
4<br />
microorganisms<br />
gas<br />
H 2 O<br />
Physicochemical
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