I. De la méthanisation au biogaz

1)  Quelques définitions

→ Le méthane


Le méthane est un hydrocarbure (composé organique contenant exclusivement des atomes de carbone C et d'hydrogène H) de formule brute CH4, découvert au XVIIIème siècle.


Il est léger, sa densité est de 0,55. Quand il n'est pas utilisé (non brûlé), c'est un puissant gaz à effet de serre : il absorbe une partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre et l'empêche de s'échapper vers l'espace, ce qui contribue au réchauffement climatique. Cependant, bien que préoccupante, l'influence du méthane est moins importante que celle du dioxyde de carbone.


Son équation de combustion est : un volume de méthane (22,4 L) et deux volumes de dioxygène (44,8 L) qui donne, après combustion, un volume de dioxyde de carbone (22,4 L) , deux volumes d'eau (36 g) et 212 Kcal d'énergie thermique (3 L d'eau portés de 27°C à 100°C par exemple). 

CH4 + 2 02 → CO2 + 2 H2O + 212 Kcal (ou 886,16 Kilo Joules ou 0,25 KWh)


















Le méthane présente deux grands aspects pratiques. Il peut être utilisé comme combustible industriel où il constitue une source d'énergie considérable, ou bien encore comme matière première où il sert à la fabrication de l'hydrogène, de l'acétylène et se trouve au point de départ de nombreuses synthèses dont celle du méthanol (alcool à brûler). Le méthane est ainsi le principal composant du gaz naturel (90% de sa composition) et du biogaz (80% de sa composition).

→ La méthanisation


La méthanisation est une digestion anaérobie (milieu où il n'y a pas présence de dioxygène) qui transforme la matière organique en digestat/compost (excellent amendement minéral et organique, car l'azote a été minéralisé), méthane et gaz carbonique par un écosystème microbien complexe fonctionnant en absence d'oxygène. Elle se produit dans la nature, mais peut aussi être contrôlée par l'homme. Elle permet d'éliminer la pollution organique, de consommer peu d'énergie et de produire peu de boues tout en produisant une énergie renouvelable : le biogaz.

→ Le biogaz
















L’équation classique de Buswell donne la production de biogaz et s’écrit :

CnHaOb + (n - a/4 - b/2) H2O → (n/2+a/8-b/4) CH4 + (n/2-a/8+b/4) CO2
Ainsi, pour les glucides (formule générique CH2O), l'équation donne :
CH2O → CH4 + CO2 (50 % de méthane)
Et pour un corps gras, on a :
C9H20O2 + 6 H2O → 13 CH4 + 5 CO2 (72 % de méthane)


Les autres produits contenus dans le biogaz sont des composés soufrés (sulfure d’hydrogène H2S, thiols), des composés azotés (ammoniaque NH4OH), de l’hydrogène et des produits intermédiaires de fermentation (alcools, acides, esters...).


Le biogaz peut ensuite être utilisé pour produire de la chaleur, de l’électricité, peut être utilisé comme biocarburant ou encore sous certaines conditions, être injecté dans le réseau de distribution de gaz naturel.

2)   Processus de la méthanisation

Composition du biogaz

Le processus de le méthanisation est composé de quatre phases successives : l’hydrolyse, l’acidogénèse, l’acétogénèse et la méthanogénèse.

→ L’hydrolyse


La matière organique complexe (protéines, lipides et saccharides) est décomposée grâce aux ions H3O+ (ou H+) et OH- provenant de la dissociation de l’eau et grâce à des bactéries hydrolytiques (Clostridium, Bacillus, Ruminococcus, Enterobacteroïdes, Propionibacterium, Butivibrio). On obtient ainsi de la matière organique simple, c’est-à-dire des substrats tels que des acides gras, des osides, du glycérol et des acides aminés.


→ L’acidogénèse


Les substrats sont utilisés par des bactéries dites acidogènes ou fermentatives, qui vont produire des acides organiques (lactate et propionate) et des composés neutres (alcools et glycérol), ainsi que du dioxyde de carbone, du dihydrogène et de l’acétate.


→ L’acétogénèse


Les divers composés issus de l’acidogénèse sont transformés, grâce aux bactéries acétogènes, en précurseurs directs du méthane : acétate, dioxyde de carbone et dihydrogène. Ces bactéries sont divisées en deux groupes : les bactéries acétogènes syntrophiques ou productrices obligées d’hydrogène et les bactéries acétogènes non syntrophes. Les bactéries acétogènes syntrophiques, anaérobies strictes, produisent de l’acétate et du dihydrogène. Les bactéries acétogènes non syntrophes ont un métabolisme majoritairement tourné vers la production d’acétate et se développent dans les milieux riches en dioxyde de carbone.


→ La méthanogénèse


Des archaebactéries, appelées aussi bactéries méthaniques, produisent le méthane à partir du dioxyde de carbone, de l’hydrogène et de l’acétate. On distingue deux espèces de bactéries méthaniques : celles hydrogénophiles qui transforment le dioxyde de carbone et le dihydrogène en méthane et en eau et qu’on peut traduire par l’équation : CO2 + 4 H2 → 2 H2O + CH4 , et celles acétoclastes qui produisent du méthane et du dioxyde de carbone à partir de l’acétate et qu’on peut écrire : CH3COOH → CH4 + CO 

De plus, s’il y a une petite quantité de sulfate dans la matière de départ, une bactérie appelée sulfato-réductrice l’utilise avec une petite quantité de dihydrogène pour le transformer en hydrogène sulfuré.

3)   Notre Expérience

Pour que ce processus ait lieu, il faut respecter certaines conditions physico-chimiques. Outre l’absence d’oxygène, les bactéries exigent un potentiel d’oxydoréduction inférieur à 330 mV pour garantir leur croissance. De plus, les réactions ont généralement lieu en température mésophile (30-40°C) ou thermophile (45-60°C) dans une gamme de pH comprise entre 6 et 8 avec un optimum entre 6,5 et 7,2. Enfin, les archeabactéries ont des besoins en oligo-éléments particuliers tels que le fer, le molybène, le nickel, le magnésium, le cobalt, le cuivre, le tungstène et le sélénium et la pression partielle d’hydrogène doit rester en dessous de 10-4 bar en phase gazeuse.

Si cette pression est trop importante, l’acétogénèse se bloque et on observe une accumulation excessive d’acides gras volatils dans le milieu. Quand cela se produit, le milieu devient en général plus acide, ce qui arrête le processus de méthanisation.

Nous avons décidé de fabriquer du biogaz à l’aide d’un petit méthaniseur en nous inspirant de l’expérience du site coedade.org

Le méthaniseur du site

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→ L’installation


La bouteille n°3 : le support


Premièrement, nous avons retiré le bouchon de ce bidon de 5 L. Ensuite, nous l’avons rempli d’environ 3 L d’eau du robinet afin qu’il soit stable. Nous avons fait une incision avec un cutter à 3 cm du haut, afin d’y passer un tuyau "cristal" en plastique transparent de longueur 80 cm et de diamètre 6 mm extérieur qui va de la bouteille n°1 à la n°2.


La bouteille n°2 : le collecteur de biogaz


C’est une bouteille d’un litre ayant contenue de l’eau gazeuse, car ainsi elle est étanche au niveau du bouchon et elle peut supporter une pression importante. Nous l’avons tout d’abord graduée tout les 5 cL, puis remplie d’eau du robinet à raz bord, pour qu’il n’y ait pas d’air. Auparavant, nous avons percé son bouchon de deux trous de diamètre 5 mm. Dans un des trous passe le tuyau qui part de la bouteille n°1, puis dans l’incision et qui finit en haut de la bouteille n°2 ; dans l’autre, il y a un autre tuyau ”cristal” en plastique transparent de diamètre 6 mm extérieur et de longueur 40 cm, qui part de la bouteille n°2 jusqu’à la bouteille n°3, dans l’eau. Finalement, nous avons retourné la bouteille n°2 pour l’insérer dans le goulot de la bouteille n°3.


La bouteille n°1 : le réacteur


C’est une bouteille de 50 cL de soda, car ainsi son bouchon est étanche et elle peut résister à une forte pression. Nous avons tout d’abord percé le bouchon d’un trou de 5 mm de diamètre et passé le tuyau à l’intérieur. Puis nous avons rempli la bouteille d’un mélange de déjections de vaches et d’eau distillée. Nous avons refermé la bouteille en faisant entrer le moins d’air possible, car la forte présence de dioxygène aurait retardé le début de la production de biogaz.

Suivi et problèmes rencontrés

→ Le principe


Dans la bouteille n°1, le mélange déjections et eau produit du biogaz. Celui -ci passe dans le tuyau et, étant moins dense que l’eau, il se retrouve au-dessus de l’eau dans la bouteille n°2. L’eau présente dans la bouteille n°2 est chassée et par le biais de l’autre tuyau, se retrouve dans la bouteille n°3

18/11/10 : présence de minuscules bulles, le        

                 mélange déjections-eau avance dans

                 le tuyau de la bouteille n°1 à la n°2

17/11/10 : lancement de l’expérience

25/11/10 : le tuyau est entièrement marron ainsi

                 que le fond de la bouteille n°2,

                 il n’y a plus de bulle

Notre méthaniseur

26/11/10 : Problème : on observe aucun dégagement gazeux

                 Solution : on met le réacteur (n°1) dans un bain-marie

                 entre 38°C et 40°C, car c’est la température

                 mésophile optimale pour le processus

29/11/10 : Problème : découverte d’un bouchon  

                 dans le tuyau qui va du réacteur (n°1)

                 au collecteur de biogaz (n°2)

06/12/10 : Solutions des problèmes du 29 novembre :

                 • on débouche le tuyau à l’aide d’un fil de fer

                 • on vide le réacteur (n°1) et on le remplit avec un mélange de déjections

                   de vaches et d’eau distillée plus liquide que la fois précédente

                 • on change l’eau de la bouteille n°2

                 • on met de la silicone entre les tuyaux et les trous dans lesquels ils passent

                   pour avoir une meilleure étanchéité

jusqu’au 10/12/10 : pas de changement

13/12/10 : le niveau de matière organique du réacteur (n°1)

                 a baissé, on trouve une petite quantité

                 de biogaz dans le collecteur (n°2)

15/12/10 : 5 cL de biogaz

17/12/10 : environ 14 cL de biogaz

→ Le résultat


Nous avons réussi grâce à cette expérience à produire une petite quantité de biogaz (environ 14 cL).


Pour prouver que ce mélange était bien du biogaz et donc contenait du méthane, il nous fallait récupérer le gaz et en approchant une flamme, voir une flamme bleue.


Nous avons tout d’abord coupé le tuyau qui reliait le collecteur (n°2) au réacteur (n°1). Nous avons compressé ce tuyau grâce à une pince. Malheureusement, la pince n’a pas assez comprimé le tuyau, ce qui a créé un appel d’air dans la bouteille n°2.

Nous avons donc obtenu un mélange biogaz et air dans la bouteille. Nous avons relié le tuyau coupé à une seringue et pompé ce mélange, que nous avons ensuite expulsé sur une flamme de briquet.

Sur cette vidéo que nous avons prise, on voit tout d’abord que rien ne se passe quand on appuie sur la seringue. En effet, c’est de l’air qui sort en premier. Cependant, vers la fin, on aperçoit une flamme bleue : c’est la preuve, qu’il y a du méthane et donc que nous avons bien produit du biogaz.

Le biogaz contient essentiellement du méthane et du dioxyde de carbone. La proportion de ces deux gaz dépend de la nature du substrat, et précisément de la proportion carbone, hydrogène, oxygène, azote. Par exemple, on considère qu’un substrat riche en carbone et hydrogène produit une forte proportion de méthane (jusqu'à 90%), tandis qu'un substrat moyennement riche, comme la cellulose et le lisier et fumier de vaches, produit un biogaz contenant environ 55% de méthane pour 45% de dioxyde de carbone.

En réalité, on trouve d’autre gaz en petite quantité tels de la vapeur d’eau, de l’azote, de l’hydrogène, de l’oxygène et de l’hydrogène sulfuré.