Expérience de méthanisation au laboratoire

Nous avons réalisé des essais de méthanisation  au laboratoire de chimie du lycée dans le but de vérifier la faisabilité de la fermentation de nos intrants et les résultats sont encourageants et intéressants:

Voici ci-dessous une petite vidéo qui permet de constater l’obtention de gaz combustible, suivi par des explications indiquant le mode opératoire.

L’expérience acquise par les élèves de BCPST:

Le premier essai a été réalisé par des élèves de prépa BCPST qui souhaitaient mesurer des pouvoirs méthanogènes mais n’a pas permis d’obtenir du biogaz car le mélange d’intrants s’est trop acidifié (acidose). Effectivement le pH est rapidement tombé vers 5 alors que la méthanisation a lieu à pH proche de la neutralité. Ces difficultés étaient peut être dues à un mélange trop riche en amidon (fumier + pain) qui génère rapidement beaucoup d’acides. Cela les a conduit à réorienter leurs réflexions sur les conditions nécessaires pour démarrer la méthanisation.

Nous nous sommes inspiré de leur retour d’expérience pour réaliser à notre tour le même type d’expérience, avec succès cette fois-ci, et nous les remercions pour leur travail qui nous a évité de faire les mêmes erreurs

Le mélange :

Nous avons réalisé un mélange d’intrants (env 2 à 3kg) se rapprochant de celui que nous pourrions avoir à certains moments de l’année avec 3 poignées de fumier frais, de l’herbe, un oignon et 1L d’eau. Le pH du mélange était alors de 6,6 ce qui nous a incité à ajouter 250mL  de solution concentrée  en hydrogénocarbonate de sodium afin de remonter le pH à 7,5. Ceci permet aussi de tamponner le pH du milieu par la suite pour éviter l’acidose durant la phase acidogène. Une expérience de méthanisation étant longue nous ne voulions pas échouer mais nous comptons réessayer sans cet ajout qui nécessiterais d’investir dans des sels carbonaté basiques. Je pense (à vérifier) que l’oignon introduit en quantité non négligeable est peut être le responsable de la légère acidité délétère du mélange initial.

Le montage:

Nous avons prêté une attention particulière à l’étanchéité de notre réacteur (siliconé), ainsi nous avons évité les sondes et agitateurs car cela augmente les risques de fuite par les passages. La production de gaz étant relativement lente, de faibles fuites pourraient donner l’impression que les fermentations n’ont pas lieu. Par ailleurs une électrode de verre de pHmétrie classique ne supporte pas un long séjour dans le mélange car son canal poreux se bouche, c’est donc une très mauvaise idée de la laisser en continu même si cette mesure serait précieuse pour suivre l’évolution du mélange. Le réacteur a été thermostaté à 40°C dans un bain marie et calfeutré avec du papier aluminium.

Le gaz recueilli est conduit à buller dans un erlenmeyer dans lequel nous avions mis de la soude pour piéger en partie le CO2. Cela fonctionne partiellement mais engendre l’apparition de précipité de carbonate de sodium qui finit par boucher l’arrivé de gaz, malgré l’agitation réalisée avec un agitateur magnétique. Nous avons donc supprimé le piège en remplaçant la solution de soude par de l’eau.

A la sortie de ce piège (qui n’en est plus) le gaz produit est dirigé dans une éprouvette retournée remplie d’eau pour le récupérer. Le piège précédent est cependant pratique pour observer le rythme de production du biogaz car on y voit mieux les bulles de gaz se former (voir la vidéo ci-dessous).

Résultats:

  • Le premier jours nous avons observé un dégagement de CO2, en partie dû au fait, selon nous, que nous avions rajouté de l’hydrogénocarbonate de sodium qui produit du CO2dissous en s’acidifiant et dégaze lentement … le dégagement s’est ensuite ralenti les jours suivants mais le piège à CO2 se bouchait et nous a obligé à l’abandonner. Le 5ème jours ceci nous a obligé à ouvrir le montage, c’est dommage pour l’aspect anaérobie mais ceci fut l’occasion de remuer un peu et de mesurer que le pH du mélange avait baissé à 7,0 (normal c’est la phase acidogène qui produit du CO2 et des acides carboxyliques).
  • Le dégagement lent de gaz non inflammable (principalement du CO2) continua jusqu’au 15ème jour. Le volume de gaz non inflammable produit a été de l’ordre de 4 ou 5L  (peu précis puisque au début le CO2 était partiellement piégé).
  • Entre le 15ème et le 20ème jour le dégagement gazeux a été de 1,2L et eurêka! le gaz obtenu était inflammable très facilement (voir fin de la première vidéo). Et le test à l’eau de chaux ne virait que très lentement indiquant que la proportion de CO2 produit était très faible (voir vidéo 3 tout en bas de l’article). Le gaz était donc essentiellement du méthane CH4 à priori. Nous étions rentré après 2 à 3 semaines dans l’étape méthanogène.
  • J’écris cet article le 40ème jour de l’expérience et depuis le 20ème jour la production de biogaz inflammable continue régulièrement à un rythme plus soutenu qu’au début de environ 0,7L par jours, soit un total de biogaz combustible produit de l’ordre de 14L… et ce n’est pas terminé… à suivre… cela devrait duré car 14L de méthane pour env 2 kg d’intrants correspond à des pouvoirs méthanogènes de l’ordre de seulement 7 Nm3 par tonne alors que nous attendons au final autour de 40Nm3/t pour le fumier et + pour l’herbe et l’oignon. Cela pourrait créer une certaine inquiétude quant à la durée du process mais il faut bien noter que l’expérience réalisée diffère fortement du process. Effectivement ce dernier assurera dès l’entrée des intrants dans le digesteur un milieu anaérobie, une recirculation de digestat liquide assurera un ensemencement bactérien profitable et enfin la température sera plus homogène et plus haute grâce à des bactéries sélectionnées pour la fermentation thermophile (plus rapide que la mésophile vers 40°C de l’expérience).

La suite:

 

  • Nous comptons à l’issu de cette expérience en laboratoire analyser le digestat obtenu et vérifier la diminution des odeurs  dégagées (COV) par rapport au mélange contenant du fumier au départ.
  • Les résultats concluants de ce premier essai qui était destiné simplement à constater la faisabilité du process nous encourage à en reconduire d’autres l’an prochain. Nous nous intéresseront certainement au pouvoir méthanogène de certains intrants de manière plus ciblée ainsi qu’à la prévention des risques d’acidose… peut être avec de la chaux pour éviter de dégager du CO2… (l’alcalose quant à elle étant peu probable étant donné que nous ne fermentons pas de produits carnés ou très azotés produisant de l’ammoniac lors de leur décomposition anaérobie).

 

Cette expérience concluante va nous permettre d’enrichir nos documents pédagogiques d’un protocole de TP (longue durée) réalisable avec les élèves de STAV par exemple dans le cadre de la pluridisciplinarité sur les énergies et le développement durable regroupant les enseignants de physique chimie et d’agroéquipement.

ANNEXE:

vidéo 3 du test négatif à l’eau de chaux sur le biogaz du 20ème jour:

 

 

 

 

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