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CONTEXTE

La Digestion Anaérobie (DA) est une technologie mondialement utilisée qui consiste en la dégradation de matière organique complexe par différents microorganismes, en absence d’oxygène. La DA permet d’obtenir un biogaz, mélange gazeux principalement composé de CH₄ et de CO₂. Le CO₂ produit peut ensuite être transformé en CH₄ grâce à l’ajout d’H₂. Le procédé de méthanation est basé sur la réaction de Sabatier ( ). La méthanation biologique ou biométhanation est la réalisation de cette réaction par des archées méthanogènes (¹). Différents procédés durables sont capables de fournir l’H₂ nécessaire à la réaction de biométhanation. Parmi les plus étudiés, on peut, par exemple, citer la fermentation sombre et l’électrolyse de l’eau qui est souvent associée au concept de Power-to-Gas (²). On distingue aujourd’hui deux types principaux de biométhanation. La biométhanation ex situ est réalisée dans un réacteur séparé du digesteur principal dans lequel l’H₂ et le biogaz sont injectés dans un milieu contenant des microorganismes capables de réaliser la réaction. Lors de la biométhanation in situ, l’hydrogène est injecté directement dans le digesteur. Ces deux procédés permettent de transformer le CO₂ produit au cours de la DA en CH₄ et d’augmenter ainsi la part en CH₄ dans le biogaz généré. Bien que la biométhanation in situ soit actuellement à un niveau de maturité technologique (TLR) inférieur à la biométhanation ex situ, ce procédé présente de nombreux avantages économiques tels que des coûts opérationnels et d’infrastructure moins élevés (^1,2). Ainsi, un des principaux objectifs du projet Metha-HYn (³) (en collaboration notamment entre le LBE et ENGIE Lab CRIGEN) ayant débuté cette année est d’optimiser la biométhanation in situ et de développer une solution commerciale.

Cependant, le procédé de biométhanation présente différents verrous. Le faible transfert gaz/liquide de l’H₂, gaz très peu soluble, peut mener à des rendements en CH₄ très faibles. De plus, une pression partielle élevée en H₂ peut inhiber la dégradation des Acides Gras Volatiles (AGV) dont l’accumulation peut conduire à l’arrêt du procédé de DA (^1,2). Afin de développer et d’optimiser le procédé, il est nécessaire de lever ces verrous.

Le biochar est une forme de charbon dit actif obtenu par un procédé de pyrolyse (⁴). Ce matériau ainsi que d’autres additifs ont été très utilisés pour optimiser la DA (i.e. la méthanisation). Le biochar en particulier a montré des effets très positifs sur la DA. L’utilisation du biochar en DA permet d’augmenter le rendement méthane et d’obtenir un digestat de meilleure qualité grâce à son pouvoir tampon, sa capacité d’adsorption de différents inhibiteurs, son utilisation en tant que support pour la formation de biofilm et sa capacité à promouvoir les interactions syntrophiques (⁴). Si l’effet des biochars sur la DA est bien documenté dans la littérature, il reste à ce jour très peu étudié sur le procédé de biométhanation.

DESCRIPTION DU SUJET DE STAGE

Le stage - d’une durée de 6 mois - portera sur 1) l’étude de l’effet de l’addition de différents biochars sur la biométhanation in situ à petite échelle et 2) la détermination de la stratégie optimale d’ajout du/des biochar(s) sélectionné(s) à une plus grande échelle (bioréacteur semi-continu en laboratoire).

Lors des expériences, la production de biogaz sera suivie et la composition du biogaz sera déterminée par chromatographie en phase gazeuse. Des analyses par HPLC et GC-FID de la phase liquide permettront d’identifier et de quantifier les métabolites produits. Les données obtenues permettront d’évaluer les performances de biométhanation avec et sans ajout de biochar (bilan DCO, calcul de productivité et de rendements). La communauté microbienne, prélevée à différents temps lors des expérimentations, sera par la suite analysée par séquençage et par qPCR (analyse métagénomique). Les résultats apporteront des éléments de compréhension supplémentaires des performances obtenues en réacteur. Les résultats de l’ensemble de ces analyses permettront de mieux comprendre l’influence des biochars étudiés (type de biochar, granulométrie, concentration utilisée, etc.) sur le procédé de biométhanation in situ.  

LOCALISATION : Laboratoire de Biotechnologie de l’Environnement, INRAe, Narbonne, France

DATE DE DEBUT SOUHAITEE : Février/Mars 2022

PROFIL DU CANDIDAT : Formation de master 2 ou diplôme d’ingénieur en génie des bioprocédés ou génie microbiologique. Une rigueur expérimentale et une maîtrise de l’anglais sont des compétences requises. Un esprit d’initiative et une aptitude au travail en équipe seront également des qualités appréciées.  

MODALITES DE CANDIDATURE : CV, lettre de motivation avant le 05/12/2022

CONTACT : Renaud Escudié renaud.escudie_at_inrae.fr, Eric Trably eric.trably_at_inrae.fr, Charlotte Richard charlotte.richard_at_engie.com, Quentin Aemig quentin.aemig_at_engie.com, Margot Mahieux margot.mahieux_at_external.engie.com, Lucia Braga Nan lucia.braga-nan_at_inrae.fr.

REFERENCES :

1.  Angelidaki, I. et al. Biogas upgrading and utilization: Current status and perspectives. Biotechnology Advances 36, 452–466 (2018).

2.  Rafrafi, Y., Laguillaumie, L. & Dumas, C. Biological Methanation of H2 and CO2 with Mixed Cultures: Current Advances, Hurdles and Challenges. Waste and Biomass Valorization 12, 5259–5282 (2021).

3.  Metha-HYn - Méthanation biologique In situ avec production d’hydrogène biologique. La librairie ADEME https://librairie.ademe.fr/dechets-economie-circulaire/5583-metha-hyn-methanation-biologique-in-situ-avec-production-d-hydrogene-biologique.html.

4.  Chiappero, M. et al. Review of biochar role as additive in anaerobic digestion processes. Renewable and Sustainable Energy Reviews 131, 110037 (2020).