La sélection de l'inoculum pour l'usine de biogaz – III Partie

Pour chaque sous-produit son digestat!

Re-publication d'un article de Mario A. Rosé sur Agronotizie

Dans Partie I de cet article, nous avons expliqué le fonctionnement d'un système de digestion anaérobie en le comparant à un “élevage de bactéries”. Pour le bon fonctionnement d'une installation de biogaz, son responsable doit savoir choisir l'inoculum en fonction des sous-produits avec lesquels le digesteur sera alimenté, tout comme un éleveur choisit la race à élever en fonction de l'objectif commercial, par exemple bovins laitiers ou de boucherie. En marge de la vérification de l'activité méthanogène (SMA) – expliqué dans deuxieme PARTIE de cet article – il est important de vérifier la capacité de l'inoculum à dégrader les matrices organiques complexes, comme la cellulose, protéines et graisses.



Pour comprendre pourquoi le test Sma ne suffit pas, décrit ci-dessus, nous observons dans le Photo 1 les différentes étapes de dégradation que subit toute matrice organique par les différents groupes de microorganismes qui composent l'inoculum anaérobie. Chaque groupe bactérien contribue à réduire les macromolécules qui composent une biomasse donnée, produisant progressivement des molécules plus simples jusqu'à ce qu'elles se transforment en acide acétique dont elles ont besoin Archée vivre. Un tel processus biologique (respiration) libère du méthane, dioxyde de carbone et eau.


Le schéma du processus de digestion anaérobie
Photo 1: Le schéma du processus de digestion anaérobie
(Source de la photo: Mario A. Rose (Réf.[je]))


Comme tout écosystème, également digestat d'une usine de biogaz il évolue pour s'adapter au substrat avec lequel le digesteur est alimenté. En Italie, au-delà de 90% des usines de biogaz sont régulièrement nourries avec des effluents d'élevage dans des proportions variables. Il semblerait donc que la sélection des “course” de bactéries pour commencer – ou redémarrer– une usine donnée est un processus basé uniquement sur le bon sens: si la plante vient nourri avec des substances végétales, l'inoculum sera prélevé sur une usine fonctionnant avec le même type de substrat, ou nous nous approvisionnerons en fumier bovin, ovin, chèvre, ou équidé, car les herbivores ont naturellement une flore bactérienne intestinale adaptée à la digestion des substances cellulosiques.

Dans les plantes nourris avec des sous-produits animaux il est pratique d'utiliser un inoculum provenant d'un système alimenté avec du fumier de porc ou de volaille, car les animaux monogastriques digèrent mieux les protéines et les graisses.
En réalité, ce n'est pas tout à fait le cas: parfois, il n'y a pas d'installations de biogaz fonctionnant en permanence à proximité de l'usine à démarrer, dans d'autres cas, les plantes sont là, mais ils sont alimentés avec de la biomasse d'un type différent de celui qui devrait être utilisé dans votre usine. Cela ne signifie pas que ces inoculums ne peuvent pas être utilisés, il suffit de vérifier s'ils ont la bonne population bactérienne pour digérer chaque composant de la biomasse ou sous-produit de notre intérêt.


Les familles de microorganismes anaérobies et les substrats de référence pour la vérification de leur activité biologique

La matière organique est composée d'hydrates de carbone, protéines et lipides dans des proportions variables. Les micro-organismes qui se nourrissent principalement de l'un de ces composants sont appelés respectivement: hydrolytiques, protéolytiques et lipolytiques. La manière rationnelle de vérifier sélectivement l'activité biologique de chacun des groupes de microorganismes qui composent un inoculum anaérobie est de réaliser un test du potentiel méthane (Bmp), utilisant un substrat de référence pur.

je substrats de référence les plus courants sont:

  • Cellulose. C'est le glucide le plus complexe à décomposer. Si un inoculum est capable de dégrader la cellulose, il pourra également dégrader l'hémicellulose, pectine, la chitina (le composant structurel des champignons) et biomasse végétale en général. La norme UNI 11703:2018 (Réf.[ii]) recommande l'utilisation de cellulose monocristalline. Pour les tests industriels, d'autres sources de cellulose moins chères et plus faciles à acheter sont souvent utilisées, telles que: papier hygiénique et mouchoirs en papier (bianchi, sans motifs imprimés) papier filtre de laboratoire et coton blanc. Le Bmp théorique de la cellulose est 415 Ncm3/g SV, un inoculum capable d'atteindre au moins 80% de cette valeur est considéré comme acceptable. Le test est réalisé avec un rapport d'inoculation: substrat (EST) entre 2 e 3, et prend en moyenne quinze à vingt jours.
  • Gelée animale (isinglass en feuilles, poudre de gélatine sans colorant ni arôme). C'est une protéine pure, pratiquement anhydre, presque sans cendres et facile à doser. Alternativement, les blancs d'œufs peuvent être utilisés, Tofu (protéine de soja) et caséine. Son Bmp théorique est de 496 Ncm3/g SV. Comme dans le cas précédent, un inoculum capable d'atteindre au moins 80% de cette valeur est considéré comme acceptable. Le test est réalisé avec un rapport d'inoculation: substrat (EST) entre 2 e 3 et dure dix à vingt jours.
  • Huile végétale (girasole, marc d'olive, plus, arachide). En règle générale, un test d'activité lipolytique prend trente à soixante jours. Il est impossible de mesurer avec les kits courants de flacons pré-dosés la morue(La demande chimique en oxygène) d'huiles, car hors de portée de la méthode et en raison de l'impossibilité de diluer l'échantillon avec de l'eau distillée. Le test est effectué en supposant que l'huile a 2,9 g Code / g de produit (sec). Le Bmp théorique des huiles et graisses est 1014 Ncm3/g de produit sec. Ce test nécessite un rapport I / S > 5 (5 g d'inoculum SV pour chaque g d'huile) car les lipides ont souvent tendance à inhiber l'activité biologique de l'inoculum.


Un exemple pratique

Une usine de biogaz alimentée par un mélange varié de sous-produits n'a pas pu surmonter 50-60% de sa puissance nominale. le “biologiste” di turno aveva decretato – come di consueto in Europa, senza realizzare alcuna prova – che la causa era il mix “troppo eterogeneo”, per cui l’impianto andava alimentato solo con insilato di mais. Il passaggio ad una alimentazione con solo insilato ha ridotto ulteriormente la produttività.
Le Photo 2, 3 e 4 ci consentiranno di capire il perché.

Si osserva che la prova con cellulosa raggiunge appena il minimo accettabile e mostra un andamento irregolare che si discosta dalla classica sigmoide. La prova con gelatina ha un inizio con valori nella norma, ma mostra segni di inibizione a partire dal decimo giorno. La prova Sma indica inequivocabilmente che l’inoculo ha un’attività metanogenica troppo bassa. L’alimentazione con un mix variegato di sostanze complesse consentiva una bassa produttività, ma costante, perché i batteri idrolitici producevano acido acetico all’incirca alla stessa velocità con cui la flora metanogenica convertiva quest’ultimo in metano. Il passaggio ad una dieta di solo insilato di mais ha portato all’inibizione del processo, precisamente perché questo substrato è facilmente idrolizzabile. I batteri idrolitici producevano dunque l’acido acetico ad una velocità più alta di quanto le Archée acetoclastiche fossero in grado di metanizzare. Ciò ha comportato l’accumulo di acido acetico, l’abbassamento brusco del pH, ed infine il blocco del processo biologico.

Photo 2: Attività idrolitica
Photo 3: Attività proteolitica
Foto 4: Attività metanogenica specifica

Conclusions

La prova SMA è utilissima, ma da sola non sempre è sufficiente per determinare la qualità del digestato. Uno screening delle attività biologiche specifiche di ognuno dei gruppi di microrganismi che compongono il digestato di un impianto di biogas serve a dare una idea chiara della robustezza del processo. Si tratta di prove relativamente facili da realizzare, che richiedono ingredienti di basso costo e facilmente reperibili come: cellulosa, gelatina e aceto. Un kit di basso costo come quello mostrato nella foto di apertura dell’articolo è sufficiente per realizzare tali prove in poco tempo e con una buona accuratezza.


Références bibliographiques et idées recommandées

[je] Rose, M.A.; Manuale per il gestore dell’impianto di biogas, Editoriale Delfino, 2015.
[iiNorma UNI/TS 11703:2018 Metodo per la misura della produzione potenziale di metano da digestione anaerobica ad umido – Matrici in alimentazione.

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