MICROBIOLOGIE DE LA DIGESTION ANAEROBIE · Microbiologie de la digestion anaérobie 1 COMPTE RENDU DE LA PRÉSENTATION DE PHILIPPE DELFOSSE (CENTRE DE RECHERCHE PUBLIC GABRIEL LIPPMANN)

Microbiologie de la digestion anaérobie 1

COMPTE RENDU DE LA PRÉSENTATION 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 présentation de Philippe Delfosse intervient dans le cadre de la rencontre du 10 et 11 février 2010 organisée par l’Association des Agriculteurs Méthaniseurs 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 méthanisation et plus particulièrement sur les réactions biologiques mises en jeu lors de la digestion anaérobie. Au travers de cet exposé intitulé Microbiologie de la digestion anaérobie, il va nous présenter dans un premier temps les principes biologiques de la digestion anaérobie. Dans un second temps, il abordera une partie plus pratique en présentant les « bonnes pratiques » à mettre en place pour assurer une méthanisation stable.

LA THEORIE DE LA METHANISATION (DIGESTION ANAEROBIE)

La méthanisation est un processus biologique naturel qui permet de convertir la matière organique (glucides, lipides, protéines) en éléments simples (CH4, CO2, NH3 et H2S) grâce à l’action de bactéries anaérobies. Cette digestion anaérobie, processus biologique complexe, peut être décrit en quatre phases de dégradation : l’hydrolyse, l’acidogénèse, l’acétogénèse et la méthanogénèse. Chaque phase fait intervenir un groupe de bactéries particulières (figure 1). Toutes les molécules qui ne seront pas dégradées par cette voie pour produire du biogaz (lignine par exemple) et les déchets de ces réactions anaérobies composeront le digestat.

FIGURE 1 :SCHEMA RECAPITULATIF DE LA METHANISATION


Chaque groupe de bactéries possède des caractéristiques spécifiques (pH, température, sensibilité { des composés particuliers…). Nous allons présenter rapidement les propriétés des populations bactériennes de chacune des phases de la méthanisation.

L’HYDROLYSE

Les bactéries hydrolytiques dégradent la matière organique fraiche (les polymères) en fragments solubles (monomères). Ces bactéries produisent des exo-enzymes qui vont dégrader les polymères de la matière organique. Les vitesses de dégradation dépendent des substrats. (figure 2).

Ainsi il est important de bien brasser le milieu afin d’homogénéiser la solution et d’optimiser l’hydrolyse. Cette étape est fondamentale pour la suite de la réaction car elle permet de fractionner la matière organique et donc de faciliter l’action des bactéries qui interviennent par la suite.

TABLEAU 1 : CARACTERISTIQUES DES BACTERIES HYDROLYTIQUES

Bactéries hydrolytiques

caractéristiques bactéries relativement résistantes, tolérantes à O2,

production d’exo-enzymes gamme de pH optimal [4,5 – 6,3]

temps de division quelques heures (reproduction rapide) sensibilité lignine (pas dégradable, ralenti la réaction)

L’ACIDOGENESE

Les bactéries acidogènes dégradent les molécules simples de matière organique (monomères) en acides et en alcools. Les acides synthétisés sont des Acides Gras Volatils (AGV). Ces AGV sont des acides avec une chaine carbonée plus ou moins longue (de 2 à 10 atomes de carbone en général).

TABLEAU 2 : CARACTERISTIQUES DES BACTERIES ACIDOGENES

Bactéries acidogènes

caractéristiques bactéries sensibles à O2, participent en général

également { l’hydrolyse gamme de pH optimal [4,5 – 6,3]

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

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


L’ACETOGENESE

Les bactéries acétogènes vont transformer les AGV en acide acétique (CH3-COOH) et en H2 et CO2. Ces molécules vont ensuite servir de substrat aux bactéries méthanogènes. Les bactéries acétogènes produisent de l’H2 mais leur activité est inhibée par un excès de H2 dans le milieu. Ainsi, la symbiose de ces bactéries avec les bactéries consommatrices d’H2 (méthanogènes notamment) est indispensable pour garantir une bonne activité bactérienne dans le digesteur. Les acétogènes et les méthanogènes vivent fixées les unes aux autres, une agitation rapide risque de détruire ce lien d’où la recommandation d’un brassage lent.

TABLEAU 3 : CARACTERISTIQUES DES BACTERIES ACETOGENES

Bactéries acétogènes

caractéristiques bactéries relativement fragiles, sensibles à O2,

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

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

sensibilité H2 en excès, H2S, NH3, sels, antibiotiques, variations de

température

LA METHANOGENESE

La méthanogénèse constitue la dernière étape de dégradation anaérobie de la matière organique. Les microorganismes qui réalisent cette étape sont des archaebactéries, microorganismes proches des bactéries, on les appelle bactéries méthanogènes par abus de langage. On distingue deux groupes de bactéries méthanogènes, les hydrogénotrophes (qui utilisent H2 et CO2) et les acétoclastes (qui utilisent l’acide acétique). Dans les deux cas, elles vont réduire leur substrat en méthane (CH4). La composition moyenne du biogaz ainsi produit est un mélange de CH4 (~60%) et de CO2 (~40%) avec des traces de H2S, de NH3 et de H2.

Ces bactéries méthanogènes ont comme particularité de se développer en condition anaérobie stricte, elles sont totalement intolérantes { l’O2. Elles ont également besoin de nickel (Ni) pour se développer. Ainsi il est important de garantir une absence totale d’O2 dans le digesteur ainsi qu’un apport en Ni satisfaisant pour leur croissance (en général la quantité de Ni contenue dans la matière organique entrant dans le digesteur est suffisante).

TABLEAU 4 : CARACTERISTIQUES DES BACTERIES METHANOGENES

Bactéries méthanogènes

caractéristiques archaebactéries très fragiles, très sensibles à 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) sensibilité O2, variations de pH et température, Cu, sels


CONSEILS PRATIQUES POUR ASSURER LA STABILITE DE L’UNITE DE METHANISATION

Comme nous venons de le voir, l’activité bactérienne mise en jeu lors de la digestion anaérobie est très complexe et très sensible, il est donc important de mettre en œuvre des pratiques pour maintenir dans le digesteur des conditions favorables aux bactéries et donc maintenir un bon fonctionnement de l’unité de méthanisation.

Les paramètres suivis sont souvent de nature économique (directement ou indirectement) ou agronomique comme le taux de charge du digesteur, le temps de séjour dans le digesteur, le potentiel méthanogène du substrat, la quantité de biogaz produit ou encore la qualité du digestat. Mais ces paramètres ne permettent pas d’appréhender l’aspect biologique dans le digesteur. Il est important de suivre quelques paramètres d’ordre biologique afin de prévenir et de maitriser les perturbations possibles du process, comme les intoxications des bactéries. Nous allons présenter quelques exemples d’intoxication ainsi que les solutions possibles pour y remédier.

INTOXICATION AUX AGV : ACIDOSE

L’acidose correspond { la chute du pH dans le digesteur, entrainant un disfonctionnement des bactéries méthanogènes et donc un diminution de la production de biogaz. L’acidose peut être due { un substrat trop abondant et trop fermentescible (forte activité d’hydrolyse et d’acidogénèse, donc accumulation d’AGV) ou { une inhibition des bactéries acétogènes ou méthanogènes (variation de température, présence d’antibiotique, d’H2S, de métaux lourds…).

Les conséquences de cette intoxication sont la baisse du pH, la diminution de la quantité de biogaz produite et la perte de qualité du biogaz (augmentation de la concentration en CO2). Lorsque l’on détecte ces problèmes, il est déj{ trop tard, le disfonctionnement est installé. Certains paramètres peuvent permettre de prévenir l’intoxication :

L’augmentation de la pression partielle d’H2 dans le biogaz, l’H2 étant un inhibiteur des bactéries acétogènes, son augmentation traduit un début de disfonctionnement. Cette mesure peut se faire { l’aide d’une sonde { H2, cependant des erreurs de mesure peuvent se produire à cause de l’H2S et du NH3, des recherches sont en cours pour améliorer les sondes (capteur à membrane spécifique à H2).

La diminution de l’alcalinité totale (pouvoir tampon) du milieu. Pour se faire, on peut réaliser la mesure du TIC (Carbone Inorganique Total), celle-ci est encore aujourd’hui difficilement réalisable sur site, mais de nouveaux appareils de mesure sont développés.

L’accumulation d’AGV et le changement de composition (de plus en plus d’AGV de grande taille). On peut suivre deux indicateurs, la concentration totale en AGV et le rapport acide acétique (deux carbones) sur acide propionique (trois carbones). Mais ces mesures nécessite du matériel de laboratoire, donc difficilement réalisable sur site.

Quand l’acidose est détectée, l’arrêt de l’apport de substrat, le mélange du milieu pour favoriser l’activité des bactéries et l’ajout d’une base (NaHCO3 par exemple) peuvent permettre au système de redevenir fonctionnel.

Remarque : l’acidose est souvent l’étape finale des autres intoxications. Un disfonctionnement d’une étape va entrainer une accumulation d’AGV, donc une chute du pH et l’acidose.


INTOXICATION A L’AMMONIAC (NH3) : ALCALOSE

Comme nous l’avons vu précédemment, le NH3 est toxique pour les bactéries acidogènes et acétogènes. Par contre l’hydrolyse et la méthanogénèse sont encore fonctionnelles tant que du substrat est disponible pour ces bactéries. Ainsi on observe dans le digesteur une accumulation des produits de l’hydrolyse (acides aminés, acides gras…) et une diminution de la quantité de biogaz produit (mais même qualité).

Pour détecter cette intoxication, on peut mesurer la concentration en NH3 dans le digesteur. Les méthodes jusqu’alors disponibles étaient réalisables hors site et nécessitaient un matériel de laboratoire (titrage automatique) ou bien n’étaient pas pratiques (test colorimétrique). Une nouvelle technologie venue d’Allemagne permet de simplifier la manipulation et de la réaliser sur site. Cette méthode est simple et robuste mais utilise des produits dangereux (soude concentrée et oxydant fort), elle nécessite donc une attention particulière et une protection lors de la manipulation.

Cet excès de NH3 dans le digesteur peut être la conséquence d’un substrat en entrée trop riche en protéine (forte teneur en N C/N < 30) comme les lisiers ou les fumiers de volaille par exemple. Pour remédier à ce problème il faut apporter un substrat moins riche en protéine et fortement fermentescible (C/N > 30) pour relancer l’activité des bactéries.

INTOXICATION AU DIHYDROGENE DE SOUFFRE (H2S)

Tout comme le NH3, le H2S a un effet inhibiteur sur l’acétogénèse et l’acidogénèse. Les conséquences sur l’activité bactérienne sont donc semblables à une intoxication au NH3, on observe une accumulation des produits de l’hydrolyse et une diminution de la quantité de biogaz produit.

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

La forte présence de protéines dans le substrat est, comme pour le NH3, responsable de cette intoxication. En effet, les protéines contiennent du souffre, en faible quantité dans certains acides aminées (cystéine et méthionine). Une attention particulière doit donc être portée à la qualité du substrat pour éviter cette intoxication.

INTOXICATION A L’OXYGENE (O2)

L’O2 inhibe quasiment toutes les phases de la méthanisation mis { part l’hydrolyse qui peut persister en milieu aérobie. Ainsi on observe une accumulation des produits de l’hydrolyse et un arrêt de la production de CH4.

La principale source d’O2 dans le digesteur est l’introduction par les substrats poreux (comme la paille par exemple) ou par des erreurs de manipulation qui entrainent une entrée d’air dans le digesteur. La présence d’oxygène peut se détecter facilement par un capteur d’O2 dans le digesteur (mesures en continue). Afin de palier { ce problème il est préférable d’utiliser des substrats denses, et dans le cas des pailles, il est recommander de la défibrer avant (pas de soucis avec la paille piétinée par les animaux présente dans les fumiers).


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

Ces intoxications sont causées par des substances initialement présentes dans le substrat, contaminations : aux métaux lourds dans les lisiers, aux médicaments animaux (pour traiter les mammites par exemple) dans les déjections, aux désinfectants de la salle de traite dans les eaux de lavage… Dans tous les cas, ces intoxications entrainent l’inhibition des bactéries acidogènes, acétogènes et méthanogènes, et donc une diminution de la production de biogaz et une accumulation d’AGV, ce qui entraine une baisse du pH et donc un risque d’acidose (cf. ci-dessus).

Le facteur déterminant pour ces intoxications est donc la qualité des substrats introduits dans le digesteur, il est donc primordial de bien connaitre ces substrats et donc de les faire analyser en laboratoire pour éviter ensuite toute déconvenue qui aurait pu être évitable.

CAS PARTICULIER DE LA CARENCE EN NI

Les bactéries méthanogènes ont besoin de Ni pour se développer. Hors le Ni peut faire défaut dans le substrat, il faut donc connaitre la composition des substrats pour apporter la « bonne ration » aux bactéries méthanogènes. Une carence en Ni entraine l’inhibition de la méthanogénèse donc la diminution de la production de méthane ainsi que l’augmentation de la concentration en AGV, donc la diminution du pH et un risque d’acidose.

Certains « remèdes miracles » pour apporter du Ni au milieu existent, mais leur efficacité n’est pas encore prouvée.

Cependant, il est important de noter que ce problème intervient surtout en Allemagne où les cultures énergétiques sont fortement utilisées comme substrat pour la méthanisation, or ces cultures sont généralement pauvres en Ni, d’où les carences observées. En France, compte tenu de la diversité et de la qualité des substrats utilisés dans les unités de méthanisation, ce problème ne devrait pas se poser.

CONCLUSION

La digestion anaérobie fait intervenir un très grand nombre de bactéries et de réactions biologiques, il s’agit donc d’un processus très complexe. De plus il est impossible de généraliser toutes les approches car chaque digesteur est unique compte tenu du process mis en jeu, des substrats utilisés, des populations bactériennes en présence…

Le principal conseil que l’on peut apporter est d’avoir une bonne connaissance de tous les substrats que l’on introduit dans le digesteur (attention aux substrats ne provenant pas de l’exploitation) pour éviter toute contamination facilement évitable (métaux lourds, médicaments, désinfectants antibiotiques…). Ensuite il est également conseillé de réaliser un suivi de certains paramètres biologiques afin de prévenir les intoxications possibles et donc la perte de productivité de l’unité de méthanisation. On peut préconiser un suivi sous la forme suivante :


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

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

De plus, il est préconisé d’isoler les animaux malades pour éviter les contaminations médicamenteuses, de faire attention aux concentrations en sels (KCl, NaCl…) lorsqu’on utilise des boues de STEP et d’éviter au maximum d’introduire des substrats riches en lignine et des matières inertes dans le digesteur (plastique, verre, silice…). Enfin, il est important de maintenir une température constante dans le digesteur car certaines bactéries sont sensibles aux variations de température.

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 à x CH4 + n NH3 + s H2S + (c-x) CO2

SUCRES: C6H12O6 à 3CO2 + 3 CH4

LIPIDES: C12H24O6 + 3 H2O à 4.5 CO2 + 7.5 CH4

PROTEINES: C13H25O7N3S à 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 à 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

HydrolyseHydrol

pH

4.5 – 6.3

temps O2

heures

Caractéristiques

Monomères, Dimères, a.a., ac. grasAcidogénèse

Hydrol

4.5 – 6.3 heures

AGV, CO2, H2, AlcoolesAGV, coolcoolcool

Acide Acétique

Acetogénèse 6.8 – 7.5 1-4 jours

CH4, CO2

Méthanogénèseénès 6.8 – 7.5 5-15 jours

Les facteurs limitants et d’inhibition

exo-enzymes

Monomères, Dimères, a.a., ac. gras


HydrolyseHydrol lignine, mélange

Acidogénèse

Hydrol

H2S, NH3, sels,

antibiotiques

AGV, CO2, H2, AlcoolsAGV, coolcoolcool

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 à qqus heures

• Protides et Lipides à qqus heures à qqus jours

• Lignocellulose à qqus semaines

• Lignine à ‘ indigestible’

qq j

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 à Acetate, Formate, Succinate, Lactate

EthOH, H2, CO22 2

3. Paenibacillus: Glucides à 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. à 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

•à 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

•à consomment l’H2

•àcompétition avec les méthanogènes hydrogénotrophes (!)

•à 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


HydrolyseHydrol

pH

4.5 – 6.3

temps O2

heures

Caractéristiques

Monomères, Dimères, a.a., ac. grasAcidogénèse

Hydrol

4.5 – 6.3 heures

AGV, CO2, H2, AlcolesAGV, colecolecole

Acide Acétique

Acetogénèse 6.8 – 7.5 1-4 jours

CH4, CO2

Méthanogénèseénès 6.8 – 7.5 5-15 jours

Les facteurs limitants et d’inhibition

exo-enzymes

Monomères, Dimères, a.a., ac. gras


HydrolyseHydrol lignine, mélange

Acidogénèse

Hydrol

H2S, NH3, sels,

antibiotiques

AGV, CO2, H2, AlcoolsAGV, coolcoolcool

Acide Acétique

Acetogénèse Excès H2, H2S, NH3,

sels, antibiotiques, T°

CH4, CO2

MéthanogénèseénèsO2, 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. AcidogènesBact. Acidog

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

ga

s (

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

Þ 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 Þ capteur spécifique

Þ 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

(%)

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 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

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0

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6 0

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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

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 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 à 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 à 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

à PROTECTION

N-NH3

NH3+NaOCl à NH2Cl+NaOH

NH2Cl+NaOCl à NHCl2+NaOH

NHCl2+NaOCl à 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 :

à production d’acide

à chute du pH

à NH3 passe sous forme NH4+

à toxicité diminue

à 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- à 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 !

coenzyme A

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:

à Accumulation des AGV

à Chute du pH

à HS- à H2S

à Déplacement vers la phase

gazeuse

à Détection accrue d’ H2S dans

le biogaz

CORROSION !!!700 ppm à 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 :

à production d’acide

à chute du pH

à H2S est déplacé vers la phase gazeuse

à Insufflation d’O2 dans le biogaz

à 2 H2S + O2 àS2 + 2 H2O (fleur de soufre, élémentaire)

à 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

Hydrololololololyse

Acetogénèse

Méthanogénèse

di ?









– 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

Hydrolyse

Acetogénèse

Méthanogénèse









– Origine ?



Hydrolyse

Acidogénèse

Hydrololololololololyse

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 à 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 (à20%)

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) à 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 ANAEROBIE · Microbiologie de la digestion anaérobie 1 COMPTE RENDU DE LA PRÉSENTATION DE PHILIPPE DELFOSSE (CENTRE DE RECHERCHE PUBLIC GABRIEL LIPPMANN)