Comment sélectionner l'inoculum pour l'usine de biogaz – Partie I

L'activité méthanogène spécifique (École secondaire): un test très utile mais encore à normaliser. Re-publication d'un article de Mario A. Rosé sur Agronotizie

“Je dis souvent que quand tu peuxmesurer de quoi tu parles, et exprimez-le en chiffres, doncsai quelque chose de ça; mais si tu ne peux pasmesure le, si vous ne pouvez pas l'exprimer en chiffres, vos connaissances sont maigres et insatisfaisantes; ça peut être le début de la connaissance, mais il ne t'aura pas permis, dans ta tête, avancer dans la progression descience, quelle que soit la discipline”.
  William Thomson, Les barons de Kelvin (Leçon sur “Unités de mesure électriques”, 3 mai 1883)

La sélection de l'inoculum le plus approprié, commencer (ou redémarrer) une usine de biogaz, c'est un problème pratique souvent sous-estimé. Une usine de biogaz est un élevage de bactéries, donc sa gestion optimale est basée sur les mêmes principes qu'une ferme d'élevage: sélection de la race la plus adaptée et suivi scrupuleux de la santé de chaque animal. Dans le cas d'un éleveur de bétail, la distinction entre la viande et les animaux laitiers est évidente et une visite chez le vétérinaire suffit pour déterminer l'état de santé général du troupeau.

Mais comment le responsable d'une installation de biogaz peut-il choisir l'inoculum le plus adapté pour atteindre une productivité maximale?, dans les plus brefs délais? Comment mesurez-vous un concept aussi insaisissable que “l'état de santé” les bactéries?

Dans l'industrie du biogaz, des méthodes diverses et pour la plupart inutiles sont en vogue, parce qu'ils sont basés sur des preuves indirectes et des erreurs logiques (à bientôt: Redimensionner l'importance du test Fos / TacLa conductivité électrique du digestat n'est pas fiable pour le fonctionnement de l'usine de biogaz eLe compteur de mousse pour les installations de biogaz). Souvent, les entreprises fournissant des services d'assistance biologique aux usines de biogaz utilisent d'innombrables – et cher– analyses chimiques, ceux-ci sont également relativement inutiles car la présence ou l'absence de certains composés ne garantit pas nécessairement l'activité biologique du digestat.

Le moyen le plus simple de quantifier la viabilité des bactéries est de mesurer leur fréquence respiratoire.
Ceci est une preuve très utile pourquoi:

  • C'est très sélectif. En fonction du substrat de référence utilisé (les glucides, protéines, lipides, acide acétique) il est possible de mesurer la cohérence et la viabilité de différents groupes de bactéries – hydrolytiques, proteolitici, lipolytiques, méthanogène- qui composent la flore du digesteur.
  • C'est très simple à faire directement dans l'usine. Vous n'avez pas besoin d'être biochimiste ou biologiste, il vous suffit de vous équiper du bon matériel et de suivre une méthode spécifique.

Le test consiste à prélever un échantillon de digestat, y ajouter une quantité connue d'acide acétique (ou acétate de sodium), et observer la quantité totale de méthane produite et le taux de production. Conceptuellement, cela semble être une solution facile, mais malheureusement, nous devons faire face à la 13° La loi de Murphy dit-elle: “La solution simple d'un problème génère toujours un problème plus difficile à résoudre”. Dans ce cas, le problème le plus difficile est de parvenir à un consensus universel sur lequel doit être considéré comme le substrat de référence à utiliser., en quelle quantité, combien de temps le test doit durer, et comment définir le seuil d'activité méthanogène acceptable.


LA MORUE, SV, BMP et SMA: quelques définitions utiles pour naviguer dans la jungle des critères

La première étape pour pouvoir mesurer quelque chose est définir l'unité de mesure. Dans le cas particulier de la mesure de l'activité méthanogène, pratiquement chaque chercheur a inventé une manière différente de réaliser le test et d'exprimer les résultats. Bien que le substrat de référence le plus cité dans la littérature soit l'acétate de sodium ou l'acide acétique, de nombreuses études sur l'activité méthanogène ont été menées avec d'autres substrats: mélanges d'acides gras volatils en différentes proportions, les sels des mêmes acides, méthanol, éthanol, glucose, saccharose, phénol… Dans la littérature, il existe des études menées même avec des substrats qui ne peuvent certainement pas être pris en compte “de référence” car leur composition est très variable: mélasse, malt de bière et sucre de canne brut.

Ce critères inégaux représente un problème pour ceux qui veulent gérer rationnellement une usine de biogaz, basé sur des preuves scientifiques mesurables plutôt que sur des tableaux indicatifs ou des déclarations auto-référentielles d'autoproclamations “la biologie”. Il faut donc définir les unités et méthodes de mesure standard, afin que les résultats exprimés de différentes manières puissent être comparés les uns aux autres. Parce que la confusion est si grande, même parmi les “la biologie” et initiés, il est utile de faire un petit tour d'horizon des bases, avant d'entrer dans les techniques de réalisation du test SMA et son application pratique aux installations de biogaz.

  • La dégradation anaérobie de l'acide acétique parArchée acétoclastiche c'est un processus qui peut être fait “exprimer en chiffres” en utilisant la formule stoechiométrique suivante: C2H4O2 (toi. anaérobie) -> CH4 + CO2
    En chiffres: 1 mole d'acide acétique (60 grammes) fait une mole de méthane (16 grammes ou 22,4 Ndm3) plus une mole de dioxyde de carbone (44 grammes ou 22,4 Ndm3). En valeurs unitaires, le rendement en méthane de l'acide acétique pur est donc égal à 373 Ncm3/grammes.
  • Si nous considérons l'acétate de sodium au lieu de l'acide acétique:
    C2H3Non2 + H2O (toi. anaérobie) -> CH4 + NaHCO3
    Comme dans le cas précédent, une taupe (82 grammes) d'acétate de sodium fait 22,4 Ndm3 de méthane, ou 273 Ncm3/grammes. La seule différence par rapport au cas précédent est que le sodium en milieu aqueux “Capturer” gaz carbonique, formation d'hydrogénocarbonate de sodium (bicarbonate), donc – en théorie– le biogaz qui sort du réacteur est du méthane pur.
  • On peut montrer par un calcul stoechiométrique que la digestion anaérobie de la matière organique produit toujours du CH4 e CO2, en quantité et proportion qui dépendent des quantités et des proportions de C, H et O présents dans la biomasse. Il existe trois unités de mesure de la quantité de C dans la matière organique: laCDE (La demande chimique en oxygène ou la quantité d'O2 nécessaire à l'oxydation totale du substrat), jeSV (Solides volatils, ou la fraction de matière sèche à l'exclusion des cendres) et leTOC (Carbone organique total). Les deux premiers sont les plus populaires car leur procédure de mesure est plus simple.
    Voyons voir quelles sont les différences parmi les différents critères:
      • LA MORUE. Si nous prenons l'acétate de sodium comme “modèle de molécule” de la digestion anaérobie, son oxydation totale peut être représentée par les équations suivantes:
    C2H3Non2 + 2O2 -> 2CO2 + H2O + NaOH
    2C2H3Non2 + 4O2 -> 4CO2 + 3H2O + Au2O
    Dans le premier cas, deux grains de beauté sont nécessaires (64 grammes) d'oxygène pour produire l'oxydation complète d'une mole (82 grammes) d'acétate de sodium, dans le second cas, un double oxygène est nécessaire pour le double acétate. Donc, dans les deux cas, le code acétate de sodium est le même, égal à 64/82 = 0,78 grammes d'O2/grammes d'acétate.
    Si, au contraire, nous prenons l'acide acétique comme “modèle de molécule”:
    C2H4O2 + 2O2 -> 2H2O + 2CO2
    Par conséquent, le code de l'acide acétique est égal à 1,066 grammi O2/grammes ou, en tenant compte de sa densité, 1,12 grammi O2/cm3.
      •SV. Si, en revanche, on veut caractériser l'acétate de sodium en fonction de son Sv, nous sommes confrontés à un problème car les équations présentées au point précédent représentent deux solutions, en fonction de la réaction d'oxydation – qui dépendra des conditions expérimentales dans lesquelles le Sv. Donc 82 des grammes d'acétate anhydre laisseront 40 grammes de cendres dans un cas ou 164 grammes d'acétate produiront 62 grammes de cendres dans l'autre. Pour la définition, les Sv sont donc égaux à:
    SV1 [%] = 100 X (SS – Cendres) / SS = 100 (82 grammes– 40 grammes)/82 grammes = 51,2%
    SV2 [%] = 100 X (SS – Cendres) / SS = 100 (164 grammes – 62 grammes)/164 grammes = 62,2%
    En pratique, on obtiendra toujours des valeurs de Sv comprises entre les deux limites théoriques indiquées ci-dessus, en fonction de la température de calcination de l'échantillon d'acétate.
    Si, au contraire, nous prenons l'acide acétique comme “modèle de molécule”, il est impossible de le caractériser en termes de Sv: par définition c'est 100% volatil, sous forme liquide et sans minéraux.
  • Des paragraphes précédents, nous déduisons les relations pratiques suivantes:
      • BMP d'acétate de sodium = 273 [Ncm3/grammes d'acétate] / 0,78 [Grammes de DCO / grammes d'acétate] = 350 Ncm3/grammes DCO. Étant donné que le SV de l'acétate peut varier en fonction de la température de calcination, il n'est pas fiable d'utiliser ce paramètre.
      • BMP d'acide acétique = 373 Ncm3/grammes /1,066 DCO grammes / grammes = 350 Ncm3/grammes DCO.
      • On peut démontrer mathématiquement que la BMP de toute matrice organique est toujours égale à 350 Ncm3/grammes DCO, à condition toutefois que cette matrice soit 100% digestible. La même chose n'est pas vraie pour les SV: la variabilité du BMP en fonction du SV est impossible à paramétrer, donc ils ne sont pas une unité de mesure “à l'aise” pour évaluer l'activité méthanogène d'un digestat. Pour mesurer l'activité méthanogène, il suffit donc de l'introduire dans le réacteur “1 gramme de DCO” (quelle que soit la substance que vous choisissez ou avez en ce moment) et observez s'il dégage 350 Ncm3 de méthane. Nous verrons dans le deuxieme PARTIE Qu'est-ce que ça veut dire “1 gramme de DCO” de toute matrice organique.


Conclusions

La mesure de l'activité méthanogène spécifique (École secondaire) est une technique pour exprimer en termes numériques le “constantes vitales” duArchée, qui sont le groupe de micro-organismes responsables de la production de méthane, dernière étape de la digestion anaérobie. La mesure de la SMA repose sur le fait que leArchée Les méthanogènes acétoclastiques se nourrissent exclusivement d'acide acétique (ou son sel, l'acétate de sodium), cependant substance non digestible pour les autres microorganismes qui composent la flore du digestat. Donc, ajouter une quantité connue de cette substance à une quantité connue de digestat, et observer la quantité de méthane libérée, il est possible de déduire si le digestat a effectivement une population active deArchée.

Aussi, la relation entre le débit de méthane et la masse de matière organique contenue dans le digestatfournit une mesure numérique de la fréquence respiratoire, c'est-à-dire l'activité biologique de la population deArchée.

Dans deuxieme PARTIE de cet article, nous verrons quels sont les “astuces du métier” qu'un bon exploitant d'usine de biogaz doit savoir pour effectuer correctement un test et comment interpréter les résultats pour optimiser le profit.