La digestion anaérobie
La digestion anaérobie est un processus biologique dans lequel la matière organique est convertie par plusieurs réactions indépendantes, consécutives et parallèles. Ce processus est unique car différentes espèces microbiennes décomposent les matières organiques en l'absence d'oxygène.
Le processus de digestion anaérobie :
La digestion anaérobie est un processus par lequel les bactéries décomposent la matière organique, comme le fumier animal, les biosolides des eaux usées et les déchets alimentaires, en l'absence d'oxygène.
Généralités
La digestion anaérobie est un processus biologique dans lequel les matières non traitées sont décomposées par des bactéries en l'absence d'air pour produire du méthane et du dioxyde de carbone.
La digestion anaérobie est un processus biologique dans lequel les micro-organismes décomposent ou digèrent la matière organique en ses divers composants primaires dans un environnement sans oxygène (anaérobie). Ce processus implique principalement la production de méthane et de dioxyde de carbone, le gaz produit pouvant être utilisé directement comme combustible de cuisson, pour alimenter des moteurs à gaz ou être transformé en biométhane de qualité gaz naturel. La digestion anaérobie convient à toutes les matières organiques. Le choix du système de digestion dépend de la teneur en humidité des microalgues et de leur rapport carbone (C)/azote (N). Le rapport optimal C/N est de 20 à 30 :1, car un excès d'azote inhibe la digestion par l'ammoniac.
La digestion anaérobie a été largement pratiquée dans des installations à grande échelle partout dans le monde. Plusieurs techniques de digestion anaérobie ont été appliquées pour convertir les fumiers de bétail, les eaux usées et les déchets lignocellulosiques solides en biogaz.
Parmi les différents processus de conversion de la biomasse, la digestion anaérobie biologique gagne en importance en raison de sa manière économique et efficace de récupérer le carbone sous forme de biogaz renouvelable. Malgré les progrès réalisés dans l'ingénierie des systèmes de digestion anaérobie, le prétraitement, la microbiologie et les configurations de réacteur créent des défis pour de nouvelles avancées dans le fonctionnement de la digestion anaérobie.
Les activités microbiennes complexes impliquées créent des contraintes sur la compréhension de l'interdépendance de la polyvalence (versatilité) métabolomique des espèces trophiques.
Bioénergie
La digestion anaérobie des déchets alimentaires produit également des carburants renouvelables sous forme de biogaz et de digestat qui peuvent être utilisés comme biofertilisants, ce qui peut à son tour atténuer d'autres émissions en réduisant le besoin d'engrais synthétiques. Des quantités importantes de déchets alimentaires sont produites dans le monde et une grande partie est éliminée dans des décharges.
Le détournement des déchets alimentaires des décharges vers des systèmes de digestion anaérobie peut donc entraîner d'importants avantages économiques en évitant les taxes de mise en décharge ainsi que des avantages tirés de la production potentielle de bioénergie.
Les voies de la technologie de digestion anaérobie pour les déchets alimentaires sont les mieux adaptées là où les "déchets humides" (généralement < 15 % de matières solides) peuvent être collectés séparément à la source et utilisés en tant que digestats simples ou codés dans des systèmes centralisés.
Processus
La digestion anaérobie est un processus microbien dans lequel des matières organiques complexes sont décomposées en leurs composants chimiques plus simples par diverses enzymes. Elle intervient en l'absence d'oxygène et se traduit par la production de biogaz et d'un digestat. La composition du biogaz est d'environ 60 % de méthane et 40 % de dioxyde de carbone. Les matières premières typiques des réacteurs de digestion anaérobie sont souvent constituées de lisiers animaux, de cultures énergétiques et d'autres déchets agricoles, commerciaux et industriels.
Le processus peut être résumé en quatre étapes principales :
- hydrolyse : les matières organiques complexes (protéines, lipides et glucides) sont décomposées en composés de faible poids moléculaire tels que les acides aminés, les acides gras et les sucres simples.
- acidogenèse : les bactéries acides favorisent un processus de fermentation, produisant des acides gras volatils (AGV), des alcools, de l'hydrogène et du dioxyde de carbone.
- acétogénèse : l'acide acétique, le dioxyde de carbone et l'hydrogène sont formés à partir des AGV par des bactéries ou des acétogènes acidifiants.
- méthanogenèse : les bactéries méthanogènes continuent la consommation des AGV et produisent du gaz méthane.
Le biogaz produit peut être utilisé comme carburant renouvelable à diverses fins, par exemple dans la production de chaleur et/ou d'électricité par combustion directe. Le digestat produit peut être utilisé comme engrais, sous réserve de méthodes de stockage et d'application appropriées pour éviter le lessivage des nitrates.
Les matières premières à forte teneur en lipides ont tendance à produire des rendements de méthane plus élevés, tandis que les matières premières à forte teneur en glucides ont tendance à produire plus de CO2.
Trois formes différentes de bactéries sont actives au cours du processus de digestion anaérobie : les bactéries fermentatives, les acétogènes et les méthanogènes. L'efficacité de ces différentes bactéries, et donc in fine le rendement en gaz du digesteur, est directement affectée par la température et le pH. Il est donc important de trouver le bon équilibre pour assurer un équilibre dynamique entre les trois groupes bactériens.
Les systèmes de digestion anaérobie fonctionnent généralement dans l'une des deux principales plages de température : mésophile (20 à 40 °C) et thermophile (> 40 °C). Les températures thermophiles ont l'avantage de fournir l'assainissement en tuant plus d'agents pathogènes. La température optimale pour la digestion thermophile est d'environ 60 °C, bien qu'une température comprise entre 52 et 56 °C puisse être utilisée en pratique pour permettre des variations de température sans menacer certains des microbes actifs.
Du fait que les microorganismes actifs lors des différentes phases de la digestion anaérobie ont des exigences différentes, le procédé est souvent réalisé en deux étapes, avec des conditions thermophiles dans la première étape et des conditions mésophiles dans la deuxième étape.
Les processus thermophiles nécessitent un temps de rétention plus court pouvant aller jusqu'à 20 jours par rapport à la digestion mésophile, qui peut prendre plus d'un mois. Une augmentation de la température du procédé augmente généralement le taux métabolique des bactéries. Cependant, cela entraîne également une concentration plus élevée d'ammoniac libre, qui lui-même inhibe le processus de digestion anaérobie.
Certaines études ont montré que les déchets à forte teneur en ammoniac (fumier de vache) étaient inhibés à des températures plus élevées. Les fluctuations de température peuvent provoquer une instabilité dans le processus de digestion, affectant le rendement en gaz. Cela peut résulter de fortes variations de la température extérieure, en particulier dans les climats des hautes terres et du nord.
Histoire
La digestion anaérobie a été utilisée pour la première fois au Xème siècle avant J.-C. pour chauffer l'eau des bains en Assyrie. Aux XVIIe et XVIIIème siècles, la production d'un mélange gazeux inflammable a été corrélée à la décomposition de la matière organique. Cette corrélation est devenue quantitative : plus la matière organique se décompose, plus la production de gaz inflammable est importante.
C'est en 1808 que Sir Humphrey Davy découvrit que le méthane était un constituant du gaz produit par le fumier de bétail. La technologie anaérobie fut démontrée pour la première fois à Bombay, en Inde, en 1859, par la construction d'un digesteur anaérobie. Le biogaz récupéré d'une station d'épuration fut utilisé pour alimenter les lampadaires d'Exeter, en Angleterre, en 1895.
Le développement de la microbiologie dans les années 1930 permit d'améliorer encore la technologie anaérobie grâce à l'identification des bactéries anaérobies, des conditions favorisant l'efficacité du procédé et de ses limites. Depuis lors, de nombreuses applications anaérobies ont été développées dans le monde entier, principalement dans le domaine du traitement des déchets, mais aussi dans la fabrication de produits chimiques, de fibres, d'aliments, etc.
La digestion anaérobie est un processus biochimique réalisé par l'action concertée d'un consortium composé de plusieurs groupes de micro-organismes qui dégradent la matière organique en un mélange gazeux composé de méthane et de dioxyde de carbone (biogaz) en l'absence d'oxygène. Ce processus se produit naturellement dans des environnements pauvres en oxygène, tels que le fond des lacs, les marais, les décharges ou les intestins des animaux. Cependant, le terme "digestion anaérobie" désigne généralement la technologie permettant d'accélérer le bioprocessus naturel dans un environnement artificiel, en vase clos.
En rapport avec "digestion anaérobie"
La bioénergie est une énergie d'origine biologique produite au sein des biotes, des êtres vivants.
La digestion est le processus de décomposition mécanique et enzymatique des aliments en substances destinées à être absorbées dans la circulation sanguine.
La méthanisation, ou digestion anaérobie, est le processus dans lequel les micro-organismes décomposent le matériel biodégradable en l'absence d'oxygène.
Le digestat est le matériau qui reste après le processus de digestion anaérobie (résidu digestif).