DIGESTION ANAEROBIE DE LISIERS DE PORC

DIGESTION ANAEROBIE DE LISIERS DE PORC

LES PRINCIPAUX PARAMETRES CONTROLANT LA FERMENTATION METHANIQUE

La production de méthane dépend des conditions de fermentation, qui sont composées par : • les paramètres physico – chimiques de fermentation ; • les paramètres technologiques ; • et la qualité du substrat. Ces conditions permettent à la fois d’assurer les métabolismes des populations microbiennes présentes dans le milieu et de constater le bon déroulement de la fermentation. 4-5-1) Paramètres physico – chimiques de fermentation 4-5-1-1) Température de fonctionnement [4 ; 18 ; 22] La température est le facteur le plus important car pour chaque température existe un temps minimum où autant de bactéries sont formées. Elle influence directement le taux d’activité enzymatique des colonies bactériennes. En effet, à 10°C, cette activité est faible. Au-dessus de 65° C, les enzymes sont dénaturées par la chaleur. La vitesse de dégradation de la matière organique ainsi que la production de gaz dépendent de la température au moment de la fermentation méthanique. On distingue 2 plages de température optimale correspondant chacune à une population de bactéries méthanogènes: • Pour les méthanogènes mésophiles : 30° C < T° < 45° C. • Pour les méthanogènes thermophiles : 50° C < T° < 60° C. Pour le lisier de porc, on fixe la température de fonctionnement à 37° C [22 ; 23]. 4-5-1-2) Le potentiel d’hydrogène (pH) Le processus de digestion sera d’autant plus stable que le pH le sera. Le pH idéal à la fermentation méthanique est entre 6,6 et 7,6 avec un optimum entre 7 et 7,2 [38 ; 52]. 17 Pour un pH trop acide, il faut tamponner la charge par du carbonate de sodium.

L’anaérobiose

Si les deux phases préalables à la méthanogénèse peuvent se dérouler en présence d’air, la phase méthanogène ne peut se développer qu’en absence d’oxygène (flore anaérobie stricte). D’après HUNGATE en 1968, la quantité d’oxygène létale pour les bactéries méthanogènes est estimée à 10 ppm. Seul un milieu anaérobie permet la production de méthane. L’élimination de l’O2 présent au début de la fermentation est liée aux métabolismes des bactéries anaérobies facultatives (hydrolytique et acidogène).

Le potentiel redox

Un potentiel redox inférieur à -250 mV semble nécessaire à une activité méthanique stable. Il faut ainsi limiter au minimum l’apport de substances oxydantes telles que nitrates, nitrites et surtout l’oxygène. 4-5-1-5) Le rapport C / N [38] C’est un paramètre de contrôle du fonctionnement de digesteur. Dans le cas de méthanisation, il est possible d’obtenir un meilleur rendement de fermentation avec du lisier dont le C/N est entre 25 et 30. Le carbone est une source d’énergie et l’azote un élément de l’édification des structures cellulaires. Un rapport C/N élevé témoigne la présence de substance difficilement dégradable par les micro-organismes. Un rapport C/N faible témoigne d’une accumulation d’azote qui produit de l’ammoniac et qui pourrait devenir toxique à une teneur élevée.

L’humidité

Comme pour toute activité biologique, la présence d’eau est indispensable. L’humidité sert surtout à donner aux-micro-organismes des conditions favorables pour qu’ils puissent se multiplier et décomposer aisément. Un excès d’humidité ralentirait la multiplication végétative des micro – organismes, et provoquerait leur asphyxie.

La matière volatile (M.V) et la demande chimique en oxygène

La matière volatile et la D.C.O (la quantité d’oxygène, exprimée en milligramme demandé pour oxyder complètement les MO présentes dans un litre de liquide) sont deux grandeurs qui permettent l’estimation de la teneur en matière organique du substrat 18 La mesure du D.C.O est surtout utilisée pour les substrats dilués tels que les effluents industriels. La mesure de M.V et de la D.C.O en amont et en aval de la fermentation permet d’estimer l’efficacité de la dégradation et de l’épuration effectuée.

Les inhibitions par les précurseurs

Acides gras volatiles (A.G.V)

L’accumulation des A.G.V dans un substrat à faible pouvoir tampon induit un abaissement du pH; entraînant l’inhibition de l’activité microbiologique. 4-5-1- 8-2) L’ammoniac C’est la forme non ionisée qui est toxique. Comme les autres éléments minéraux, il est un facteur de stimulation biochimique à faible concentration. A concentration élevée, jusqu’à 3 g / l d’azote ammoniacal, il devient toxique. Cependant, il y a des cas où l’inhibition ne se produit qu’à des concentrations très élevées après adaptation progressive des micro – organismes (jusqu’à 5 g / l).

Les paramètres technologiques

L’agitation

L’agitation permet l’homogénéisation du substrat et elle empêche la formation de croûte et aussi la décantation des particules denses. Elle favorise le transfert thermique, ionique et métabolique dans le digesteur. Elle facilite le contact entre le substrat et les bactéries.

L’oxygène dissous

Une fuite au niveau du réacteur ou une entrée d’air à son intérieur tue les bactéries méthanogènes et conduit à l’arrêt de la méthanisation.

Le temps de rétention hydraulique

C’est le temps de séjour moyen du substrat dans le fermenteur. Cette durée est variable (dans l’intervalle de 10 à 30 jours) selon la technologie retenue et la température de fonctionnement. Lorsque le substrat comme le lisier de porc est à dominante cellulosique, il faut prévoir une durée minimale de fermentation de 21 à 25 jours. [52]. THELLIER en 1983 a trouvé un temps de rétention hydrauliques (TRH ou RT) de 20 à 30 jours qui est différent de celui de RAZAFIMAHEFA et ANDRIANAIVOARIMASY en 1999 qui est de 10 jours seulement.

La qualité du substrat

La qualité et la quantité de gaz produit durant la biométhanisation dépendent de la qualité du substrat utilisé. L’âge du produit contribue également à diminuer le potentiel méthanogène.

Les composés inhibiteurs contenus dans le substrat 4-

La cellulose

En général, certaines matières organiques d’origine végétale (déchets verts) et animale (déjections) utilisées en biométhanisation sont souvent riches en matières cellulosiques. Ces dernières sont toutefois difficiles à fermenter à cause de leur structure naturelle. La teneur en lignine peut être un frein à la dégradation de la cellulose. A l’état natif, la cellulose est associée à la lignine pour former un système fermé jouant un rôle protecteur: c’est le complexe ligno-cellulosique. Cette structure est peu accessible aux enzymes. Plusieurs enzymes (cellulase, xylanase, endoglucanases et autres) participent à l’hydrolyse du complexe mais très peu de micro-organismes possèdent les enzymes capables d’exécuter la lyse initiale de la cellulose native. Par contre l’hydrolyse partielle de la cellulose est obtenue par l’activité des nombreuses populations microbiennes. 4-5-3-1-2) L’alcalinité et le pouvoir tampon L’alcalinité du substrat est sa capacité à neutraliser l’acidité du milieu. [7] La production d’A. G.V et CO2 qui en résulte par la décomposition glucidique et lipidique des bactéries pendant la phase acidogène à tendance à faire baisser le pH. Ce phénomène est normalement limité par le pouvoir tampon du milieu. Cette alcalinité est due à la présence d’une production abondante de l’ammoniaque résultant de l’hydrolyse bactérienne de composés protéiniques, rendant ainsi le milieu basique. D’où la réaction : RNH2 NH3 + H2O NH4 + + OH- . Une alcalinité élevée signifie que le procédé est apte à s’opposer aux fortes fluctuations du pH. Inversement, si l’alcalinité est insuffisante, le pouvoir tampon ne saurait faire face à une augmentation brutale de la teneur en A.G.V. 20 Dans ce cas, l’ajout de bicarbonate ou de chaux est utile. La chaux en se combinant avec le CO2 du milieu, donne également du bicarbonate conformément à la réaction suivante: Ca (OH)2 + 2 CO2 Ca(HCO3)2.

Les éléments inhibiteurs

La toxicité des cations

En quantité modérée, les éléments minéraux tels que Na+ , K+ , Ca2+, …, sont indispensables au métabolisme bactérien car ils jouent le rôle des facteurs de croissance. A forte concentration, les ions deviennent toxiques car en se déplaçant du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré, ils traversent les membranes bactériennes et les inhibent. Le tableau n° VII présente les concentrations seuils de quelques ions tolérés par les bactéries méthanogènes.

Table des matières

INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1-HISTORIQUE
2- LES LISIERS
2-1) LES LISIERS ET LEURS COMPOSITIONS
2-1-1) Composition chimique moyenne des aliments du porc
2-1-2) Composition chimique du lisier de porc
2-2) LES RESSOURCES EN LISIERS
3-LE BIOGAZ ET LEURS CARACTERISTIQUES
3-1) DEFINITION
3-2) COMPOSITION CHIMIQUE
3-3) POUVOIR CALORIFIQUE
3-4) CARACTERISTIQUES DES BIOGAZ
4-LA FERMENTATION METHANIQUE
4-1) DEFINITION
4-2) GENERALITES SUR LA FERMENTATION METHANIQUE
4-2-1) Phase I ou hydrolyse du substrat
4-2-2) Phase II ou acidogenèse
4-2-3) Phase III ou acétogenèse
4-2-4) Phase IV ou méthanogenèse
4-3) LE PROCESSUS METABOLIQUE DE LA METHANOGENESE
4-3-1) La source d’énergie
4-3-2) La source de carbone et d’azote
4-3-3) La formation du méthane
4-3-3-1) Formation du méthane par méthanogenèse acétoclaste
4-3-3-2) Formation du méthane par méthanogenèse de réduction par l’hydrogène
4-4-1) Les bactéries hydrolytiques
4-4-2) Les bactéries acidogènes
4-4-3) Les bactéries acétogènes
4-4-4) Les bactéries méthanogènes
4-5) LES PRINCIPAUX PARAMETRES CONTROLANT LA FERMENTATION METHANIQUE
4-5-1) Paramètres physico – chimiques de fermentation
4-5-1-1) Température de fonctionnement
4-5-1-2) Le potentiel d’hydrogène (pH)
4-5-1-3) L’anaérobiose
4-5-1-4) Le potentiel redox
4-5-1-5) Le rapport C / N
4-5-1-6) L’humidité
4-5-1-7) La matière volatile (M.V) et la demande chimique en oxygène (D.C.O)
4-5-1-8) Les inhibitions par les précurseurs
4-5-1-8-1) Acides gras volatiles (A.G.V)
4-5-1- 8-2) L’ammoniac
4-5-2) Les paramètres technologiques
4-5-2 -1) L’agitation
4-5-2-2) L’oxygène dissous
4-5-2-3) Le temps de rétention hydraulique
4-5-3) La qualité du substrat
4-5-3-1) Les composés inhibiteurs contenus dans le substrat
4-5-3-1-1) La cellulose
4-5-3-1-2) L’alcalinité et le pouvoir tampon .
4-5-3-1-3) Les éléments inhibiteurs
4-5-3-1-3-1) La toxicité des cations
4-5-3-1-3-2) Les autres substances toxiques
4-5-3-1-4) Les métaux lourds
4-5-4) La production et la qualité des biogaz
4-5-4-1) La production de biogaz
4-5-4-2) La teneur en méthane
4-6) LES DIGESTEURS EN FERMENTATION METHANIQUE
4-6-1) Le procédé discontinu ou en batch .
4-6-2) Le procédé continu ou chemostat
4-6-3) Les autres procédés
DEUXIEME PARTIE: CARACTERISATION DE LISIERS DE PORC ET
OPTIMISATION DES PARAMETRES DE DIGESTION ANAEROBIE
1-INTRODUCTION
2-MATERIELS ET METHODES
2-1) LES MATIERES PREMIERES
2-1-1) Les substrats utilisés .
2-1-2) L’élevage du porc situé à Ambohidrapeto – Itaosy et
Ambohimangakely
2-2) METHODE D’ANALYSE
2-2-1) Détermination de la teneur en eau et en matière sèche
2-2-1-1) Définition
2-2-1-2) Principe
2-2-1-3) Méthode
2-2-1-4) Calcul et expression des résultats
2-2-2) Détermination de la teneur en cendres brutes ou matières minérales
2-2-2-1) Principe
2-2-2-2) Méthode
2-2-2-3) Calcul et expression des résultats
2-2-3) Détermination du taux de matière organique ou matière volatile
2-2-4) Détermination de la teneur en carbone par la méthode de WALKEY et BLACK
2-2-4-1) Principe
2-2-4-2) Méthode
2-2-4-3) Mode de calcul
2-2-5) Détermination de la teneur en azote total (N) et en protéine
2-2-5-1) Principe
2-2-5-2) Méthode
2-2-5-3) Calcul et expression des résultats . 30
2-2-6) Méthode de dosage de l’insoluble cellulosique à l’acide formique
2-2-6-1) Principe
2-2-6-2) Méthode
2-2-6-3) Calcul et expression des résultats
2-3) LA FERMENTATION
2-3-1) La conduite de la fermentation
2-3-1-1) Les digesteurs
2-3-1-1-1) Le système de chauffage et d’agitation
2-3-1-1-2) Le système de mesure du volume de gaz formé (Figure2 et Photo 5)
2-3-2) La mise en fermentation
2-3-2-1) Les substrats
2-3-2-2) Préparation du substrat
2-3-2-3) Le pied de cuve
2-3-2-4) Préculture et revivification
2-3-3) Fermentation spontanée
2-3-3-1) Mode opératoire
2-3-4) Optimisation des paramètres de fermentation
2-3-4-1) Optimisation du pH .
2-3-4-2) Optimisation de la vitesse d’agitation .
2-3-4-3) Optimisation de la concentration en substrat
2-3-5) Mesure des paramètres de contrôle de la digestion anaérobie
2-3-5-1) Mesure du pH
2-3-5-2) Mesure de la teneur en CH4, CO2 et N2
2-3-5-2-1) Principe
2-3-5-2-2) Méthode
2-3-5-2-3) Mode de calcul
2-3-5-3) Productivité volumique du biogaz
2-3-5-4) Productivité en méthane
2-3-5-5°) La matière volatile
3-RESULTATS ET INTERPRETATIONS
3-1) RESULTATS DES ANALYSES
3-1-1) Humidité et matières sèches
3-1-2) Teneur en matière volatile ou matière organique et en cendre .
3-1-3) Teneur en carbone et en azote
3-1-4) Résultats des fermentations
3-1-4-1) Résultats de la fermentation spontanée
3-1-4-2) Exemple des chromatogrammes obtenus par CPG
3-1-4-3) Résultats de l’optimisation
3-1-4-3-1) Résultats de l’optimisation du pH
3-1-4-3-2) Résultats de l’optimisation de la vitesse d’agitation
3-1-4-3-3) Résultats de l’optimisation des concentrations en substrat
4- DISCUSSION
5 – CONCLUSION PARTIELLE
TROISIEME PARTIE : ISOLEMENT ET IDENTIFICATION DES BACTERIES METHANOGENES
1- INTRODUCTION
2-MATERIELS ET METHODES
2-1) ESSAI D’ISOLEMENT ET D’IDENTIFICATION DE BACTERIES METHANOGENES
2-1-1) La culture des bactéries méthanogènes
2-1-1-1) Principe
2-1-1-2) Mode opératoire
2-1-1-2-1) Milieux de culture
2-1-1-2-2) Préparation des milieux
2-1-1-2-3) L’inoculum
2-1-1-2-4) L’ensemencement
2-1-1-2-5) L’incubation
2-1-1-2-6) L’anaérobiose
2-1-2) Isolement
2-1-2-1) Principe
2-1-2-2) Mode opératoire
2-1-3) Identification
2-1-3-1) Etude des caractères culturaux
2-1-3-1-1) En milieu solide
2-1-3-1-2) En milieu liquide
2-1-3-2) L’étude des caractères microscopiques
2-1-3-2-1) Examen à l’état frais
2-1-3-2-1-1) Principe
2-1-3-2-1-2) Mode opératoire
2-1-3-2-1-3) Mode de lecture des résultats
2-1-3-2-2) Examen après coloration Gram
2-1-3-2-2-1) Principe
2-1-3-2-2-2) Mode opératoire
2-1-3-2-2-3) Lecture des résultats
2-2) FACULTE METHANOGENE DES SOUCHES ISOLEES
2-2-1) Principe
2-2-2) Mode opératoire
2-2-3) Lecture des résultats
2-3) CAPACITES DES SOUCHES METHANOGENES A METABOLISER DIFFERENTES SOURCES DE CARBONE
2-3-1) Principe
2-3-2) Mode opératoire
2-3-3) Lecture des résultats
3- RESULTATS DE L’ISOLEMENT ET DE L’IDENTIFICATION DES BACTERIES METHANOGENES
3-1) CARACTERES CULTURAUX DES BACTERIES ISOLEES
3-1-1) En milieu solide
3-1-2) En milieu liquide
3-2) CARACTERES MORPHOLOGIQUES DES BACTERIES ISOLEES
3-3) SOUCHE METHANOGENE
3-4) CAPACITE DE LA SOUCHE S1 A METABOLISER LES SOURCES DE CARBONE
4 – DISCUSSION
5– CONCLUSION PARTIELLE
CONCLUSION GENERALE