Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
Dans le cadre de la stratégie énergétique 2050, le Conseil fédéral mise sur un renforcement de l’efficacité énergétique et sur une utilisation accrue des énergies renouvelables. La part des énergies renouvelables dans la production électrique de la Suisse devra ainsi passer de 4,2 TWh (2021) à 24,2 TWh d’ici 2050. Parmi celles-ci, le biométhane, une alternative durable au gaz naturel, a un rôle important à jouer puisqu’il peut être utilisé pour diversifier davantage les approvisionnements en gaz, en éliminant progressivement la dépendance de la Suisse à l'égard des combustibles fossiles étrangers et en réduisant l'exposition des consommateurs à la volatilité des prix du gaz naturel. En tant que source d'énergie renouvelable, distribuable et neutre en carbone, l'augmentation de la production et de l'utilisation du biométhane contribue également à atténuer la crise climatique.
Dans ce contexte, l’industrie gazière prévoit de porter à 30% la part des gaz renouvelables (biogaz, méthane de synthèse, hydrogène) au segment gaz du marché thermique en 2030, 50% en 2040, et vise une substitution totale du gaz naturel en 2050 [1]. Pour autant, la part du biogaz atteignait seulement 2% de l’énergie renouvelable produite en Suisse en 2022 [2]. Ces données montrent la nécessité d'intensifier mais également d’optimiser la production de biométhane, sous forme de biogaz ou de sa version épurée, afin d’atteindre les objectifs fixés par la stratégie énergétique 2050.
Le biogaz est produit par digestion anaérobie, ou biométhanisation, un processus biologique naturel de décomposition de la matière organique par des consortia microbiens qui s’activent dans des conditions anaérobiques, c’est-à -dire sans oxygène. Outre la production de biogaz, la digestion anaérobie permet la réduction du volume des déchets organiques, la diminution des microorganismes pathogènes et aboutit à la formation d’un engrais riche en nutriments. Cette technologie présente néanmoins quelques inconvénients et son efficacité reste encore limitée par de faibles taux de dégradation de la matière organique solide, seulement de 30 à 50%, et ce malgré des temps de séjour dans les réacteurs pouvant atteindre jusqu’à 50 jours.
La biomasse lignocellulosique fait partie des biomasses les plus récalcitrantes à la dégradation anaérobie. Elle est composée de polymères glucidiques (cellulose et hémicellulose) et de lignine, entrelacés et formant une matrice complexe et réfractaire dont la conversion en énergie dépend fortement de l'accessibilité des composés organiques aux enzymes hydrolytiques produites par les micro-organismes anaérobies.
Au-delà de la production de biogaz, l'émergence d'une nouvelle industrie basée sur le raffinage de la biomasse lignocellulosique (solvants verts, biomatériaux et biopolymères), impose de trouver des solutions pour sa biodégradabilité.
Les déchets lignocellulosiques sont présents dans tous les déchets organiques, dans des proportions variables. Ils constituent la fraction principale des résidus de cultures agricoles qui, avec les engrais de ferme (lisier, purin, fumier), alimentent les méthaniseurs agricoles.
Les sous-produits de l’agriculture sont l’une des ressources les plus prometteuses pour la croissance de la production de bioénergie (fig. 1) et environ 22 millions de tonnes sont générées chaque année en Suisse. Selon l’OFEN, le potentiel primaire maximal théorique de production de biogaz issu des sous-produits de l’agriculture s’élève à 10,4 TWh d’énergie primaire mais la transformation effective de ces ressources en biogaz s’élèverait seulement à 4,4 TWh [3]. Grâce à une constante augmentation du nombre d’installations de biogaz agricole, en 2022, les 126 installations en activité en Suisse ont permis de de produire environ 550 GWh de biogaz brut par valorisation de 4,6% des quantités d’engrais de ferme produites en Suisse (fig. 2).
La conversion de l’énergie à partir de la biomasse et des déchets organiques est ainsi une question largement étudiée dans le domaine de la recherche, comme en atteste le nombre impressionnant de méthodes proposées pour améliorer la dégradation de la biomasse lignocellulosique. Parmi les stratégies développées, les prétraitements qu’ils soient de nature mécanique, thermique, chimique ou biologiques, constituent une voie privilégiée. Ils ont pour but de préparer la biomasse à être digérée avant son entrée dans le réacteur en modifiant sa structure physico-chimique rendant ainsi la cellulose accessible pour les attaques enzymatiques.
Les technologies de prétraitement nécessaires pour préparer la biomasse lignocellulosique sont souvent coûteuses en raison de l’utilisation d’équipements spécialisés (broyeurs, sécheurs, réacteurs chimiques, etc.), qui sont coûteux à acquérir, entretenir et faire fonctionner et de la quantité importante d’énergie que ces équipements consomment. Cela rend la production de biogaz à partir de la biomasse lignocellulosique moins rentable, surtout si les installations de prétraitement ne sont pas conçues de manière optimale.
Les tendances récentes de la recherche indiquent qu’il n’existe pas de stratégie unique pour améliorer la biodégradabilité anaérobie des déchets lignocellulosiques, mais que les combinaisons de prétraitements et la codigestion (procédé par lequel deux ou plusieurs types de déchet organique sont digérés au sein d’un même réacteur) ont tous deux un rôle important à jouer dans ce domaine. C’est dans ce contexte que la Haute Ecole d’Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud (HEIG-VD) a réalisé le projet MIMAGAS (Combination of physicochemical pre-treatments of biomass to maximise biogas production).
L’objectif du projet MIMAGAS (OFEN SI/502202-01) était de développer un protocole de prétraitement par hydrolyse douce pour maximiser la production de méthane à partir du fumier bovin, en combinant un prétraitement mécanique (broyage), l’impact d’un acide organique dilué et un traitement thermique modéré (température inférieure à 80 °C).
Les prétraitements à base d’acide dilué ou d’acides organiques faibles sont moins toxiques, moins dangereux et ne nécessitent pas d’équipement résistant à la corrosion contrairement à ceux à base d’acides forts généralement utilisés. En outre, certains acides organiques peuvent être récupérés à partir d’effluents industriels ou de flux de production, afin d’utiliser des sous-produits, réduisant ainsi le besoin de nouvelles ressources en renforçant l’économie circulaire et la durabilité.
L’acide organique utilisé dans le projet est le lactosérum, un effluent alimentaire abondant très répandu en Suisse. La production de fromage suisse génère annuellement 1 300 000 t de lactosérum, dont 24% est utilisé pour la consommation humaine, 31% est transformé en fourrage à haute valeur ajoutée et 45% est directement distribué aux porcs [4]. Environ 80% des producteurs de fromage sont de petites structures à la recherche de solutions alternatives pour la destination du lactosérum, tandis que les neuf plus grands transformateurs peuvent s’offrir des solutions plus coûteuses et bien établies. En dehors de ces grandes entreprises, pour la plupart des producteurs de fromage, le lactosérum est un déchet à éliminer et le couplage à une porcherie n’est pas un choix délibéré mais une contrainte afin d’éliminer le lactosérum de manière économique, conformément à la législation en vigueur.
Le lactosérum est un liquide composé d’environ 94% d’eau, de sucre (lactose, 65–75% de la matière sèche), de protéines (5–10% de la matière sèche) et de très peu de matières grasses. Sa composition exacte dépend du type de fromage et de la technique fromagère utilisée. Il contient également de l’acide lactique dont la concentration augmente graduellement avec avec la dégradation du lactose au cours de la conservation du lactosérum. Une forte augmentation de la concentration en acide lactique et une conversion quasi complète du lactose peut être obtenue par fermentation.
L’utilisation du lactosérum comme co-substrat pour la digestion des déchets agricoles est une pratique en développement déjà bien documentée [5–7] En utilisant, le lactosérum également comme agent acide, il est possible de combiner l’approche de prétraitements et la pratique de la codigestion mais la mise en pratique de telles combinaisons requiert une méthodologie rigoureuse notamment pour éviter les interactions négatives.
La combinaison de prétraitements est un art difficile à maîtriser notamment parce qu’en raison de leur complexité, les différentes étapes de prétraitement nécessitent une coordination précise. Il convient de bien comprendre comment chaque prétraitement affecte la matière afin d’établir leur compatibilité, en fonction des effets antagonistes ou synergiques qu’ils produisent sur la biomasse.
Le broyage permet de réduire la taille des particules de la biomasse lignocellulosique afin d’augmenter la surface de contact et faciliter les réactions ultérieures. Avec certains types de broyeurs, il est également possible d’altérer considérablement les parois cellulaires afin d’accroître l’accessibilité des enzymes et de favoriser la solubilisation des composants biodégradables. Le prétraitement mécanique utilisé dans ce projet consiste en l’utilisation d’un hachoir à viande qui coupe les fibres de fumier avec un couteau en acier inoxydable et les extrude à travers des grilles de différente taille (fig. 3).
Le solubilisation de la biomasse récalcitrante a lieu à haute température (cellulose: T > 150 °C; hémicellulose: T > 200 °C), mais les protéines et les hydrates de carbone sont facilement solubilisés à partir de 80–90 °C. Au cours de cette solubilisation une réaction chimique peut avoir lieu entre les acides aminés libres, les peptides (généralement issus des protéines) et les sucres réducteurs (lactose, glucose), donnant naissance à des composés récalcitrants (mélanoïdines), qui sont moins biodisponibles pour la production de biogaz, et à des inhibiteurs microbiens tels que les furfurals, le 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) et les acides humiques [8–9].
Cette réaction, appelée réaction de Maillard ou réaction de brunissement, a été largement étudiée en chimie alimentaire, car les mélanoïdines donnent aux aliments brunis leur goût distinctif. Elle se produit généralement à des températures élevées (environ 140–165 °C), de même que la caramélisation (160–200 °C), de sorte qu’un traitement à 80 °C, devrait préserver la biomasse de ces dégradations néfastes. Cependant, certains environnements et/ou facteurs accélèrent ou favorisent le brunissement comme les environnements alcalins et acides ou de longs temps d’exposition. C’est notamment le cas pour le lactosérum, riche en hydrates de carbone facilement hydrolysables comme le lactose (fig. 4).
Les composés comme le 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) sont naturellement présents, en faible quantité, dans le lactosérum et leur concentration augmente modérément au cours de la conservation ou fortement lors de traitements thermiques si les conditions de ces derniers ne sont pas rigoureusement contrôlées (pH, température, durée).
Ainsi, le traitement thermochimique envisagé ici qui consiste à chauffer un mélange de lactosérum riche en lactose et de fumier riche en protéines, constitue probablement un environnement particulièrement favorable à la réaction de Maillard. Pour éviter cela, il est nécessaire de déterminer les conditions optimales des prétraitements.
La sélection des conditions optimales de chaque étape de prétraitement peut s’avérer complexe en raison de l’interdépendance des différentes méthodes utilisées et de la composition du fumier qui dépend elle-même des conditions d’exploitation du bétail (rapport litière/déjection animale, alimentation et gestion du bétail). Le fumier utilisé dans ce projet venait d’une stabulation libre et contenait principalement des déjections animales (bouses). Le rapport fumier/lactosérum est de 80/20 en masse conformément à la réglementation sur les cosubstrats d’origine non agricole.
La détermination des conditions optimales de chaque étape du prétraitement a été faites grâce à un plan d’expérience de quatre facteurs à trois niveaux élaborés selon la méthode de Taguchi (L9) (Tab. 1). Deux paramètres principaux, le rendement en méthane (mesure de potentiel en biométhane) et la solubilisation de la matière soluble, via la mesure de la demande chimique en oxygène soluble (DCOs), ont été utilisés pour évaluer l’impact des prétraitements.
| Facteurs | Niveau 1 | Niveau 2 | Niveau 3 |
| Durée (heures) | 2 | 8 | 24 |
| Température (°C) | 20 | 40 | 80 |
| Concentration en acid (%) | 0 | 1 | 5 |
| Dimension de la grille (mm) | 6 | 13 | 20 |
Tab. 1 Facteurs et niveaux de facteurs utilisés pour le plan d’expérience
L’exploitation du plan d’expérience n’ayant pas montré de différence significative entre les potentiels biométhane des différents substrats hydrolysés avec le lactosérum, les échantillons utilisés pour les tests de digestion ont donc été sélectionnés sur la base de l’augmentation de la DCOs.
La solubilisation de la matière organique est importante pour le processus de digestion anaérobie car elle rend la matière organique plus accessible aux bactéries et aux autres micro-organismes présents dans le milieu, ce qui facilite leur digestion et leur fermentation. Chacun des prétraitements utilisés a le potentiel d’augmenter la solubilisation de la matière organique mais une forte augmentation de la DCOs n’implique pas nécessairement une amélioration de la production de biogaz. Au contraire, elle peut, en raison de la réaction de Maillard, indiquer la formation de produits solubles mais non valorisables lors de la digestion anaérobie car inhibiteurs de celle-ci [8].
L’analyse du plan d’expérience et des mesures de DCOs, a montré que la présence d’inhibiteurs dans les substrats prétraités est principalement liée au lactosérum dans les traitements à 80 °C. La combinaison de ces niveaux de facteurs entraine une augmentation de 60% de la DCOs dont on estime que la moitié est due aux produits de la réaction de Maillard. Lors des tests effectués dans des digesteurs de 110 l, il a été possible de gérer la présence de ces inhibiteurs lors de la digestion en configuration semi-sèche et d’obtenir une production biogaz 20% plus élevée que pour le fumier non traité (fig. 5). En revanche, en voie sèche, leur accumulation a entraîné un état d’inhibition stable avec une diminution de la production de biogaz.
Si les performances du substrat hydrolysé se sont montrées supérieures à celle du fumier non traité, et ce malgré la présence d’inhibiteurs, les gains effectifs par rapport à une simple codigestion lactosérum/fumier non traité, nécessaires pour justifier les frais d’investissement dans les équipements de prétraitement à grande échelle, restent à démontrer. Ceci demandera un effort de recherche et des tests à plus long terme notamment parce que certains effets bénéfiques des prétraitements (réduction des coûts de pompage du substrat, réduction de l’énergie dépensée pour le brassage des digesteurs, stabilité du pH, réduction du volume de digestat en sortie, augmentation de la capacité de déshydratation et de décantation du substrat) ne peuvent être correctement mesurés qu’avec des tests de longue durée. D’autre part, les prochains tests devront être effectués sur le fumier de l’installation Agrogaz à Lignerolle (fig. 6), partenaire industriel du projet MIMAGAS, à partir des conditions optimales. Il reste notamment à redéfinir la combinaison optimale durée/température en incluant comme paramètre la formation d’inhibiteurs. Les résultats les plus probants ont été obtenus avec les broyages les plus fins en particulier lorsque la température du traitement thermochimique est faible, mais le rapport bénéfice/coût énergétique doit encore être évalué. En effet, l’efficacité du broyage dépend considérablement de la composition du fumier et chaque diminution de la taille des particules s’accompagne d’une augmentation de l’énergie consommée pour le broyage.
D’autres approches pour améliorer la dégradation de la biomasse cellulosique sont en outre à l’étude à la HEIG-VD, notamment l’enrichissement en CO₂. Ce procédé, testé dans le cadre du projet CONRAD (CO₂ enrichment of anaerobic digesters; OFEN SI/502382-01), s’est avérée être une voie privilégiée pour améliorer le rendement en biométhane des boues de station d’épuration. Au cours de la démonstration de faisabilité, les performances du digesteur sous enrichissement (teneur moyenne en methane [CH₄] du biogaz: 66,8% ± 0,5; rendement en méthane: 209 ± 17 l CH₄/g SV [solides volatiles]) ont été supérieures à celles obtenues dans le digesteur en fonctionnement normal (teneur moyenne en CH₄ du biogaz: 62,7% ± 0,3, rendement en méthane: 151 ± 15 l CH₄/g SV). Il s’agit maintenant de développer et d’optimiser le protocole qui pourra être testé à la station d’épuration des eaux usées d’Yverdon-les-Bains, partenaire du projet CONRAD (fig. 6).
Le fumier bovin, pourrait lui aussi être un très bon candidat à l’enrichissement. En effet, la panse des bovins contient des bactéries Actinobacillus succinogenes que l’on retrouve dans le fumier. C’est un microorganisme capnophile et fixateur de carbone qui se développe en présence de fortes concentrations de dioxyde de carbone et pourrait donc prospérer dans un digesteur enrichi en CO₂.
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[1] Gaz Énergie (2021): Thèses 2020 de l’Industrie gazière Suisse. Lausanne, Association Suisse de l’Industrie Gazière, 16 p.
[2] OFEN (2023): Statistique suisse des Ă©nergies renouvelables 2022
[3] OFEN (2014): Mini Biogaz: Développement de petites unités de biogaz en agriculture
[4] Bisig, W. et al. (2015): Potentiel quantitatif de valorisation du petit-lait dans l’alimentation humaine en Suisse. Recherche Agronomique Suisse 6: 270–277
[5] Comino, E.; Riggio, V.; Rosso, M. (2012): Biogas production by anaerobic co-digestion of cattle slurry and cheese whey. Bioresource Technology 114: , 46–53
[6] Rico, C.; Muñoz, N.; Rico, J. L. (2015): Anaerobic co-digestion of cheese whey and the screened liquid fraction of dairy manure in a single continuously stirred tank reactor process: Limits in co-substrate ratios and organic loading rate. Bioresource Technology 189: 327–333
[7] Vivekanand, V. et al. (2018): Synergistic effects of anaerobic co-digestion of whey, manure and fish ensilage. Bioresource Technology 249: 35–41
[8] Ortega-MartĂnez, E.; Chamy, R.; Jeison, D. (2021): Thermal pre-treatment: Getting some insights on the formation of recalcitrant compounds and their effects on anaerobic digestion. Journal of Environmental Management 282: 111940
[9] Yang, N. et al. (2022): Exploration of browning reactions during alkaline thermal hydrolysis of sludge: Maillard reaction, caramelization and humic acid desorption. Environmental Research 217: 114814
Les auteurs remercient l’Office fédéral de l’Energie (OFEN), le fond Vital Innovation, la fondation Bios pour la recherche, la station d’épuration des eaux usées de la ville d’Yverdon-les-Bains et l’installation Agrogaz de Lignerolle.
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