COMPTE RENDU DE LA PRÉSENTATION DE PHILIPPE DELFOSSE (CENTRE DE RECHERCHE PUBLIC GABRIEL LIPPMANN) MICROBIOLOGIE DE LA DIGESTION ANAEROBIE 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 Microbiologie de la digestion anaérobie 1 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. FIGURE 2 : VITESSE DE DEGRADATION PAR LES BACTERIES HYDROLYTIQUES EN FONTION DU SUBSTRAT TABLEAU 1 : CARACTERISTIQUES DES BACTERIES HYDROLYTIQUES caractéristiques gamme de pH optimal temps de division sensibilité Bactéries hydrolytiques bactéries relativement résistantes, tolérantes à O2, production d’exo-enzymes [4,5 – 6,3] quelques heures (reproduction rapide) 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 caractéristiques gamme de pH optimal temps de division sensibilité Bactéries acidogènes bactéries sensibles à O2, participent en général également { l’hydrolyse [4,5 – 6,3] quelques heures (reproduction rapide) H2S, NH3, sels, antibiotiques Microbiologie de la digestion anaérobie 2 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 caractéristiques gamme de pH optimal temps de division sensibilité Bactéries acétogènes bactéries relativement fragiles, sensibles à O2, production de H2 [6,8 – 7,5] quelques jours (1-4 jours ; reproduction lente) 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 caractéristiques gamme de pH optimal temps de division sensibilité Bactéries méthanogènes archaebactéries très fragiles, très sensibles à O2, besoin de Ni, plusieurs substrats possibles [6,8 – 7,5] quelques jours (5-15 jours ; reproduction lente) O2, variations de pH et température, Cu, sels Microbiologie de la digestion anaérobie 3 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 CO 2). 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. Microbiologie de la digestion anaérobie 4 INTOXICATION A L’AMMONIAC (NH 3 ) : 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 (H 2 S) 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 (O 2 ) 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’O 2 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). Microbiologie de la digestion anaérobie 5 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. cidessus). 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 : Microbiologie de la digestion anaérobie 6 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 7 Microbiologie de la Digestion Anaérobie Partie Théorique Philippe DELFOSSE [email protected] AILE, Rennes, 21 juin 2011 Digestion Anaérobie ? Solubilité des gaz dans l’eau • 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 hydrates de carbone Lipides Proteines Production théorique Composition théorique de biogaz de biogaz Nl/kg DOM 746 1390 800 CH4 (%) 50 72 60 CO2 (%) 50 28 40 Protéines: CO2 se lie à NH3 et H2S reste principalement en phase liquide à CH4 » 60% Digestion Anaérobie ? La Digestion Anaérobie Caractéristiques • Processus biologique complexe qui peut être décrit en 4 phases de dégradation : 1. Hydrolyse 2. Acidogénèse 3. Acétogénèse 4. Méthanogénèse pH Polymères complexes Hydrol Hydrolyse Monomères, Dimères, a.a., ac. gras Acidogénèse temps 4.5 – 6.3 heures 4.5 – 6.3 heures 6.8 – 7.5 1-4 jours AGV, CO2, H2, Alcooles cool Acetogénèse Acide Acétique Méthanogénèse énès CH4, CO2 6.8 – 7.5 5-15 jours O2 Les facteurs limitants et d’inhibition lignine, mélange • Exoenzymes produits par des bactéries anaérobies facultatives ou obligatoires dégradent les substrats insolubles (polymères: cellulose, hémicellulose, amidon, protéines, lipides) en fragments solubles (monomères) H2S, NH3, sels, antibiotiques • 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. Polymères complexes Hydrolyse Hydrol exo-enzymes Monomères, Dimères, a.a., ac. gras Acidogénèse AGV, CO2, H2, Alcools cool Excès H2, H2S, NH3, sels, antibiotiques, T° Acetogénèse Acide Acétique O2, pH, T°, Cu, sels, carence en Ni Etroite association/actions concertées ! Méthanogénèse CH4, CO2 1 HYDROLYSE • Glucides à qqus heures • Protides et Lipides à qqus heures à qq qqus jours j • Lignocellulose à qqus semaines • Lignine à ‘ indigestible’ 2 Acidogénèse Bactéries hydrolysantes Genre Species Description Bacteroides uniformis acidifaciens vulgatus ruminicola immobiles, Gram-neg, bâtonnets Lactobacilus pentosus plantarum immobiles, Gram-pos, bâtonnets endospores Propioni-bacterium microaerophilium propionicus cyclohexanicum immobiles, Gram-pos, bâtonnets spores Sphingomonas subterranea présentes dans les sédiments profonds Sporobacterium olearium Megaspheara elsdenii X X rumen Bifidobacterium Substrate Inorganic H 2O Organic fraction Carbohydrates Proteins Lipids Monosaccharides Amino Acids Long Chain Fatty Acids Anaerobic Digestion Volatile Fatty Acids (VFA) HPr, HBu, HVa,… HAc CH4 HVa: valeric acid (C5) HBu: butyric acid (C4) HPr: propionic acid (C3) HAc: acetic acid (C2) 2 Bactéries acidogènes La majorité des acidogènes participent aussi à l’hydrolyse ! Genres: Clostridium, Ruminococcus, Paenibacillus Bactéries acidogènes 2. Ruminococcus: Glucides à Acetate, Formate, Succinate, Lactate EthOH, H2, CO2 1. Clostridium: grand groupe diversifié 3. Paenibacillus: Glucides à Acetate, Formate, Lactate, Propionate Clostridium tetani (tétanos) Clostridium botulinum (botulisme) ? 3 Acetogénèse 3. Acétogénèse Les acétogènes produisent obligatoirement H2 Bactéries homoacetogènes réduisent l’H2 et CO2 en Acétate Inhibition si forte pression partielle en H2 Symbiose nécessaire avec des bactéries consommatrices d’H2 2 Bactéries acetogènes 4. Méthanogénèse • Symbiose obligatoire avec des bactéries consommatrices de H2 • Régénération = 84 h • Acides organiques, Alcooles, a.a. à Acetate, CO2, H2 Acétoclastiques Bactéries methanogènes Bactéries methanogènes Bactérie méthanogène en symbiose avec le protiste Nyctotherus ovalis (dehydrogenase coenzyme F ) • 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 420 Methanosaeta Hydrogénotrophes bactéries hydrognotrophes H2 CO2 CH4 METHANOGENESE CO2 acide acétique bactéries acétoclatiques methanol bactéries methyltrophiques CH4 CH4 Methanosarcina 1 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 •Desulfobacterales •Desulfovibrionales 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 •Syntrophobacterales • Passé: CH4 70% viendrait AcAc et 30% CO2 + H2 = CH4 • Depuis Klocke 2007 et 2008 l’inverse a été démontré ! •Thermodesulfobacteria Desulfovibrio vulgaris Biogaz à la ferme Partie Pratique Les paramètres utiles à suivre et les bonnes pratiques pour assurer une biométhanisation stable La Biométhanisation à la ferme La Digestion Anaérobie Substrats = Matière organique : CH4, H2 Vg (m3/j) •Déjections animales CO2, H2S, H2O %CH4 %CO2 •Production végétale Digestats : •Sous-produit de l’agro- Caractéristiques pH Polymères complexes Hydrol Hydrolyse 4.5 – 6.3 heures 4.5 – 6.3 heures 6.8 – 7.5 1-4 jours •MO non digérée alimentaire, ménages,… Vr (m3) Vs (m3/j) T°, pH ms (kg/j) Mélange Et la BIOLOGIE ? •N, P, K •Odeur réduite Monomères, Dimères, a.a., ac. gras VD (m3/j) mD (kg/j) Acidogénèse AGV, CO2, H2, Alcoles cole Acetogénèse A. Quel substrat ? (qualité, digestibilité) Quel approvisionnement ? OLR = mS x [DOM] / Vr (DOM kg/m3j) Quel temps de séjour ? HRT = Vr / Vs (j) temps C. Les digestats peuvent-ils encore produire du CH4 de manière rentable ? B. Phénomènes d’indigestion ? Acidose, Intoxication NH3, métaux lourds, antibiotiques, sels, T° Acide Acétique Méthanogénèse énès CH4, CO2 6.8 – 7.5 5-15 jours O2 Perturbations du processus Les facteurs limitants et d’inhibition • • • • • 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… Polymères complexes Hydrol Hydrolyse lignine, mélange exo-enzymes Monomères, Dimères, a.a., ac. gras H2S, NH3, sels, antibiotiques Acidogénèse AGV, CO2, H2, Alcools cool Excès H2, H2S, NH3, sels, antibiotiques, T° Acetogénèse Acide Acétique – – – – O2, pH, T°, Cu, sels , carence Ni Etroite association/actions concertées ! Méthanogénèse énès CH4, CO2 Acidose Que se passe-t-il ? Origine ? Comment les détecter ? Comment y remédier ? Acidose : Que se passe-t-il ? Polymères Complexes Carbohydrates, Lipids, Proteins, Ac nucléiques • • • • Que se passe-t-il ? Origine Comment la détecter à temps ? Comment y remédier ? monomères, dimères Signes annonciateurs Accumulation: • H2 et CO2 • acides organiques Chute: AGV : Ac., Prop., But, Alcools, Acetone, CO2, H2 Bact. Acetogènes Acetogenesis H2, CO2 1. Paramètres communément disponibles sur site • • • • Bourbes de vinification (riche en sucres solubles) 80 70 60 gas (m3/t) 50 40 30 CH4 (m3/t FM) CO2 (m3/t FM) 20 Chute de production de biogaz Perte de qualité du biogaz (CH4 < 50%, CO2 > 50%) pH < 7 Déplacement de l’H2S vers la phase gazeuse 10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 heures • Inhibition des METHANOGENES par: – – – – T° Cu, Zn, Cr, Pb, … O2 (introduit avec les substrats) Carence en Ni Bact. Methanogènes CH4 + CO2 Acidose : Comment la détecter ? • Alimentation excessive • Substrats trop fermentescibles • Inhibition des ACETOGENES par: Antibiotiques, désinfectant T° H2S (protéines) Sels (STEP) Bact. Acidogènes Acidog Acidogenesis Methanogenesis •CH4, m3 biogaz Acidose : Origine ? sucres, acides gras branchés, a.a., Acetate •pH – – – – Bact.Hydrolytiques Hydrolysis SOUVENT IL EST DEJA TROP TARD !!! Pression partielle en HYDROGENE (H2) Acidose : Comment la détecter ? • 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 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) Projet INTERREG IV A OPTIBIOGAZ Suivi de l’Hydrogène 2500 H2S biogas rate H2 feeding rate CH4 CO2 350 300 2000 250 1500 200 150 1000 100 1100.0 900.0 700.0 500.0 300.0 100.0 Date 0 0 09/08 11/08 13/08 15/08 17/08 19/08 21/08 23/08 25/08 27/08 Pilot 1 Pilot 2 Pilot 3 Pilot 4 29/08 Date Chute de l’alcalinité totale Comment mesurer l’alcalinité totale (TIC) ? • 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. Titrateur automatique TAC= TIC 20ml × M TAC× 250 V TIC: Total Inorganic Carbonate (mg/kg) V: volume of sample (mL) MTAC : amount of 0.05 M sulfuric acid im mL pH AGV 6.5 10.4 Problèmes: TIC •Réalisé en laboratoire •Forte production de mousse (CO2) •Utilisation H2SO4 [conc] Source: Melanie HECHT, unpublished www.hach-lange.de •Sonde pH pour solution organique 2011-06-26 00:00 2011-06-16 00:00 2011-06-06 00:00 2011-05-27 00:00 2011-05-17 00:00 2011-05-07 00:00 2011-04-27 00:00 -100.0 2011-04-17 00:00 50 1300.0 2011-04-07 00:00 500 Hydrogen 1500.0 H2 [ppm] Temperature decrease CH4, CO2 (%) and H2 (ppm) concentration, biogas production rate (mL/min) and feeding rate (g/100L) Double feeding rate H2S concentration (ppm) Suivi de l’Hydrogène 400 3000 Le QUANTOFIX ou l’AGRO-LISIER pourraient être adaptés Comment mesurer l’alcalinité totale (TIC) sur site? TIC -CO2 + H2O « H2CO3 Coopagri Bretagne, mars 1995 http://www.biogaspro.de/index.html CH3-COOH CH3-CH2-COOH CH3-CHOH-COOH CH3-(CH2)2-COOH CH3-(CH2)3-COOH CH3-(CH2)4-COOH CH3-(CH2)6-COOH 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 OK 4.50 3.00 2.00 µS - i-Butyric acid Chaque digesteur est unique ! C2 Ac Acétique C3 Ac Propionique C3 Ac Lactique C4 Ac Butyrique C5 Ac Valérique C6 Ac Caproïque C8 Ac Caprylique C10 Ac Caprique - n-Butyric acid Dans la pratique il n’y a pas de valeur standard pour les AGVtot • • • • • • • • – Lactic acid - Acetic acid • 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) • Spectre en AGV - Propionic acid Accumulation des AGV tot et modification de la composition en AGV 1.00 0.00 min 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 Perturbations du processus 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 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 ? Intoxication à NH3 Intoxication à NH3 : Que se passe-t-il ? •Excès de protéines dans la ration Polymères Complexes Carbohydrates, Lipids, Proteins, Ac nucléiques • • • • Que se passe-t-il ? Origine Comment la détecter à temps ? Comment y remédier ? Hydrolysis monomères, dimères sucres, acides gras branchés, a.a., •Accumulation d’NH3 dans le digestat à pH augmente ! •Effet inhibiteur principal de NH3 sur les Acétogènes et les Acidogènes Acidogenesis AGV : Ac., Prop., But, Alcools, Acetone, CO2, H2 Acetogenesis Acetate H2, CO2 •L’Hydrolyse et la Méthanogenèse fonctionnent •Accumulation de monomères, AGV de grande taille, acides aminés, sucres, alcools, acétone,… Methanogenesis CH4 + CO2 •CH4/CO2 reste favorable !!! •Nm3 biogaz chute Intoxication à NH3 : Origine ? • NH3 > 3 kg/m3 de digestat • Substrats riches en protéines • Les bactéries montrent en général une bonne capacité d’adaptation • Rapport C/N < 30 • Si le pH ou la T° augmente le N-NH3 devient encore plus toxique (fragilité thermophile) Intoxication à NH3 : Comment la détecter ? Hors site Titrateur automatique Méthodes colorimétriques • Gluten, protéines animales, lisiers, fumier de volaille,… Problèmes: •Préparation de l’échantillon NH3 + H2O à NH4+ + OHC’est la forme N-NH3 qui est toxique ! Comment mesurer NH3 sur site ? •Ajout d’une base en excès www.hach-lange.de •Forte dilution nécessaire Le QUANTOFIX ou l’AGRO-LISIER pourraient être adaptés N-NH3 NH3+NaOCl à NH2Cl+NaOH NH2Cl+NaOCl à NHCl2+NaOH NHCl2+NaOCl à NCl3+NaOH •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 Coopagri Bretagne, mars 1995 Exemple d’intoxication à NH3 Intoxication à NH3 : Que faire ? • Peu de recommendation dans la litterature ! No Désignation laboratoire 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 1727/09 Digesteur 2 7,9 9.433 3.906 4.418 314 71 593 119 12 8,0 1.597 187 1.390 10 2 8 - - 1728/09 Digesteur 3 8,1 1.860 165 1.671 14 1 9 - - • 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 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… – – – – Intoxication à H2S • • • • Que se passe-t-il ? Origine Comment la détecter à temps ? Comment y remédier ? Que se passe-t-il ? Origine ? Comment les détecter ? Comment y remédier ? Intoxication à H2S : Que se passe-t-il ? Intoxication à H2S : Origine ? •Excès de protéines dans la ration • H2S > 50 mg/l de digestat •Accumulation d’ H2S dans le digestat • H2S ± 2 000 ppm biogaz Polymères Complexes Carbohydrates, Lipids, Proteins, Ac nucléiques Hydrolysis monomères, dimères sucres, acides gras branchés, a.a., Acidogenesis AGV : Ac., Prop., But, Alcools, Acetone, CO2, H2 Acetogenesis Acetate H2, CO2 Methanogenesis CH4 + CO2 • 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,… • Substrats riches en protéines • Kératine = corne, peau, poils, plume… • Si le pH chute H2S devient encore plus toxique (HS- à H2S) • protéines animales, lisiers, fumier, colza et autres crucifères (Brassicaceae) • Vitamines (biotine, thiamine, A) coenzyme A -s-s- •CH4/CO2 reste favorable !!! •Nm3 biogaz chute Méthionine Cystéine C’est la forme H2S qui est toxique ! Structure spatiale des protéines Intoxication à H2S : Exemple Plumes : Intoxication à H2S : Comment la détecter ? •CH4/CO2 reste favorable !!! MS : 26,5 % •Nm3 biogaz chute MOS : 95,6 % Plumes de poulet : Production cumulée de CH4 et de CO2 (MATIERE FRAICHE) Rappel: Analyseur de gaz sur site Capteur électrochimique 35.0 Production cumulée de CH4 [Nm³/ t FM] 30.0 •L’intoxication à l’ H2S provoque principalement l’inhibition des Acétogènes: à Accumulation des AGV 25.0 20.0 à Chute du pH 15.0 à HS- à H2S 10.0 à Déplacement vers la phase gazeuse CH4 5.0 CO2 0.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Temps [Jours] • Plumes: faible digestibilité et risque de corrosion pour les digesteurs et les groupes de cogénération. (cornes, poils, plumes, colza, …) à Détection accrue d’ H2S dans le biogaz 700 ppm à Mort Immédiate © Que faire ? Intoxication à H2S : • 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 CORROSION !!! 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… 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 Intoxication à O2 Perturbations du processus • Que se passe-t-il ? – O2 > 0.1 mg/l digestat – Seul l’Hydrolyse fonctionne bien – Accumulation de monomères Hydrol olyse ol Hydrolyse • Origine – Introduction avec les substrats (pailles) – Désulfurisation biologique (O2) • Comment la détecter ? – Capteur O2 (biogaz) – Nm3 Biogaz chute – CH4 chute Acidogénèse • • • • • 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… Acetogénèse • Comment y remédier di ? – Substrats denses – Contrôle de la désulfurisation biologique Que se passe-t-il ? Origine ? Comment les détecter ? Comment y remédier ? Méthanogénèse – – – – Que se passe-t-il ? Origine ? Comment les détecter ? Comment y remédier ? Intoxication aux métaux lourds Intoxication aux métaux lourds • Que se passe-t-il ? – La méthanogenèse est inhibée – Les autres phases fonctionnent • Origine Hydrolyse – Cu > 50 mg/l – Zn > 150 mg/l – Cr > 100 mg/l • Comment la détecter ? Acidogénèse – CH4 chute, AGV augmentent, pH chute = Acidose – Dosage des métaux lourds en laboratoire – ICP-MS (Inductively Coupled Plasma - MS) Acetogénèse • Comment y remédier ? – Eviter les substrats d’origine inconnue – NaHCO3 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 ? Méthanogénèse 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) Hydrolyse Hydrol olyse ol • Comment la détecter ? – – – – CH4 CO2 biogaz chutent (Acidose ou Intox NH3) Monomères augmentent Dosage des xénobiotiques en laboratoire HPLC Acidogénèse Acetogénèse • Comment y remédier ? – Eviter les substrats d’origine inconnue Méthanogénèse – Séparer les animaux malades du troupeau – Stockage 2-3 semaines, la plupart sont dégradés 1. Les substrats rapidement hydrolysés Substrats Pomme de terre Mélasse, Fruits hydrates de carbone Lipides Proteines Production théorique Composition théorique de biogaz de biogaz Nl/kg DOM 746 1390 800 CH4 (%) 50 72 60 CO2 (%) 50 28 40 Céréales en grain INTERROGATION Bourbes, Racines Biogaz Prenez un quart de feuille svp ! Substrat Acides organiques à digestion rapide Rq: Même effet si on suralimente le digesteur CH4 CO2 3. Les substrats lentement hydrolysés 2. Les substrats hydrolysés « idéalement » et fortement méthanogènes Cellulose de part leur composition Ensilage de maïs et de céréales immatures, fumier (apport en bactéries méthanogènes), … Substrats Graisses (insolubles dans l’eau) Huiles Production théorique Composition théorique de biogaz de biogaz Nl/kg DOM 746 1390 800 hydrates de carbone Lipides Proteines CH4 (%) 50 72 60 Biogaz CO2 (%) 50 28 40 Substrats CH4 Substrat à digestion « régulée » Substrat Acides organiques CO2 • • • • Production théorique Composition théorique de biogaz de biogaz Nl/kg DOM 746 1390 800 hydrates de carbone Lipides Proteines CH4 (%) 50 72 60 Nl/kg DOM 746 1390 800 hydrates de carbone Lipides Proteines CH4 (%) 50 72 60 CO2 (%) 50 28 40 CH4 Acides organiques CO2 Digestion en 2 étapes fortement méthanogènes Déchets d’abattoire Production théorique Composition théorique de biogaz de biogaz à digestion lente 4. Les substrats riches en protéines Substrats Biogaz Boues de laiterie, fromagerie, chocolaterie CO2 (%) 50 28 40 Touteau de Colza • Dégradation de molécules récalcitrantes (ulvanes) Hydrolyseur • Substrats fortement dégradables présentant un CO2 H2 risque d’acidose (fruits, légumes, racines, …) H2S • Fumier, ensilages Biogaz Protéines riches en Méthionine et Cystéine Si Excès à NH3 et H2S CH4 Protéines Acides organiques On surralimente l’Hydrolyseur Production rapide et importante d’Acides organiques Inhibition des Acétogènes et Méthanogènes Production de CO2 (80%) et d’H2 (à20%) Méthaniseur CH4 =70% Ac org. CO2 Analyse du digestat: Diagnostic ? Diagnostic ? FOS: 17.300 mg/l TAC: 24.800 mg/l Ration: 1500 kg/j de céréales 750 kg/j de contenu de pense de vache 750 kg/j graisses de flottation Echantillon pH AGV totaux en mg/kg de MS Acide acétique en mg/kg de MS Acide propionique en mg/kg de MS FOS/TAC 0,70 Biogaz: Biogaz: pH 7,95 CH4: 58% CH4: 48% Ntot: 10 g/l CO2: 41% CO2: 50% N-NH3: 7.9 g/l Faible production Faible production 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 - - 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 ! CO2 Merci ! Références: CH4 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)