Etude et Optimisation du Couplage Microalgue/Bactérie Anaérobie ...
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Programme Bioénergies Edition 2008<br />
<strong>Etude</strong> <strong>et</strong> <strong>Optimisation</strong> <strong>du</strong> <strong>Couplage</strong> MicroAlgues- Digestion <strong>Anaérobie</strong>
N,P,K<br />
Proj<strong>et</strong>s microalgues à vocation énergétique<br />
CO 2 Culture Récolte Valorisation Pro<strong>du</strong>it<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
Rési<strong>du</strong>s
N,P,K<br />
Proj<strong>et</strong>s microalgues à vocation énergétique<br />
CO 2 Culture Récolte Valorisation Pro<strong>du</strong>it<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
Rési<strong>du</strong>s
N,P,K<br />
Proj<strong>et</strong>s microalgues à vocation énergétique<br />
CO 2 Culture Récolte Valorisation Pro<strong>du</strong>it<br />
Digestat<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
CO 2<br />
Biogaz<br />
Méthanisation<br />
Rési<strong>du</strong>s
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
Objectifs <strong>et</strong> enjeux : Digestion anaérobie<br />
►Conversion de la matière organique en<br />
énergie (Méthane)<br />
►Valorisation chaleur, électricité, carburant…<br />
►Minéralisation des éléments N, P, K…<br />
►(Très) Large spectre de matière organique<br />
►Filière de distribution existante<br />
►Technologie mature, robuste <strong>et</strong> éprouvée<br />
►Filière en croissance<br />
► Pression sur la ressource en matière organique<br />
► Valorisation digestat indispensable
Pro<strong>du</strong>ction de biomasse<br />
Fixation de CO 2<br />
Digestion anaérobie<br />
CO 2<br />
Sédimentation<br />
O 2<br />
C org<br />
CO 2<br />
CO 2<br />
O 2<br />
O 2<br />
N, P<br />
Minéralisation<br />
Hydrolyse/Acidogenese<br />
CO 2<br />
CH 4<br />
+ CO 2<br />
Méthanisation<br />
<strong>Microalgue</strong>s<br />
Bacteries aerobies<br />
Bacteries anaerobies<br />
Des Interactions fortes dans le milieu naturel vers un procédé intégré<br />
?
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
SYMBIOSE : un procédé intégré<br />
Digestion<br />
<strong>Anaérobie</strong><br />
Biogaz<br />
Biomasse algale<br />
Eléments nutritifs<br />
Culture<br />
microalgues<br />
CH CH4 Rési<strong>du</strong> solide
Effluent gazeux<br />
Rési<strong>du</strong>s<br />
organiques<br />
Eaux usées<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
SYMBIOSE : un procédé intégré<br />
Digestion<br />
<strong>Anaérobie</strong><br />
Biogaz<br />
Biomasse algale<br />
Eléments nutritifs<br />
Culture<br />
microalgues<br />
CH CH4 Digestat solide
Environnement ?<br />
SYMBIOSE : questions de recherche<br />
Digestion anaérobie<br />
Paramètres ?<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
Contrôle ?<br />
Intégration<br />
Culture des microalgues<br />
Organismes ?<br />
Dimensionnement ?<br />
Maitrise ?
► T1 <strong>et</strong> T2 Ecosystèmes microalgues/bactéries<br />
IFREMER, ECOSYM<br />
► T3 Digestion anaérobie des biomasses<br />
INRA-LBE, Naskeo<br />
Symbiose : 5 axes de recherches<br />
► T4 Modélisation <strong>et</strong> contrôle <strong>du</strong> système couplé<br />
INRIA, INRA-LBE<br />
► T5 Intégration <strong>et</strong> conception d’un pilote<br />
► Coordination<br />
Ensemble des partenaires<br />
• Naskeo Environnement<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement
► Budg<strong>et</strong> (2009-2011)<br />
Budg<strong>et</strong> Symbiose <strong>et</strong> soutiens<br />
Coût Compl<strong>et</strong> (€) Aide demandée (€)<br />
NASKEO ENVIRONNEMENT 323 367 242 525<br />
INRA 587 317 202 930<br />
INRIA 496 291 147 026<br />
UMR 5119 - ECOLAG 690 626 244 691<br />
PBA 382 792 191 396<br />
► Labellisation<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
TOTAUX 2 480 393 1 028 568
1 Ecosystèmes issus de cultures<br />
Objectifs : Identification <strong>et</strong> caractérisation d’espèces issues de culture <strong>et</strong> capable<br />
de croître dans les conditions <strong>du</strong> système <strong>et</strong> offrant un potentiel méthane élevé.<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
• Identifier des couples microalgues / bactéries<br />
• Caractériser<br />
milieu,<br />
l’association des microorganismes dans le
2<br />
Ecosystèmes issus <strong>du</strong> milieu naturel<br />
Objectifs : Identification <strong>et</strong> caractérisation d’écosystèmes issus <strong>du</strong> milieu naturel<br />
susceptibles de croitre efficacement dans les conditions imposées par le système.<br />
• Identifier des environnements naturels<br />
• Evaluer les conditions optimales des interactions algues/bactéries<br />
• Caractériser l’association des microorganismes dans le milieu<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement
3<br />
Digestion anaérobie des biomasses<br />
Objectifs : Évaluation <strong>du</strong> potentiel méthane des populations sélectionnées <strong>et</strong><br />
détermination des paramètres optimaux en digestion anaérobie. Amélioration des<br />
performances via des prétraitements <strong>et</strong> codigestion avec d’autres substrats<br />
organiques.<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
• Approche bibliographique de la DA des microalgues<br />
• Caractérisation biochimique des biomasses <strong>et</strong> évaluation<br />
<strong>du</strong> potentiel méthane<br />
• <strong>Optimisation</strong> de la digestion anaerobie<br />
• Prétraitements <strong>et</strong> codigestion<br />
• <strong>Etude</strong> de la valorisation des digestats
3<br />
<strong>Etude</strong>s réalisées<br />
Digestion anaérobie des biomasses<br />
Temperature HRT M<strong>et</strong>hane Biogaz<br />
(ºC) (jour)<br />
L CH4 g VS-1<br />
% CH4<br />
Chlorella and Scenedesmus Batch 35-50 0.17-0.32 62-64<br />
Tr<strong>et</strong>raselmis CSTRa 35 14 0,31 72-74<br />
Spirulina Semicontinuous 30 33 0,26 68-72<br />
Dunaliella Batch 35 28 0,44 ns<br />
Chlorella vulgaris Batch 28-31 64 0.31-0.35 68-75<br />
Chlorella Batch 34 14 0.35 65<br />
Chlorella Batch 34 25 0.44 65<br />
Chlorella Batch 34 45 0.60b 65<br />
Chlorella and Scenedesmus CSTRa 35 10 0.09-0.136 69<br />
Arthrospira Platensis Batch 38 32 0,29 61<br />
Chlamydomonas reinhardtii Batch 38 32 0,39 66<br />
Chlorella Kessleri Batch 38 32 0,22 65<br />
Dunaliella salina Batch 38 32 0,32 64<br />
Euglena Gracilis Batch 38 32 0,32 67<br />
Scenedesmus obliquus Batch 38 32 0,18 62<br />
Chlorella and Scenedesmus Batch 35 40 0,16 70<br />
D’après Sialve <strong>et</strong> al (2009) <strong>et</strong> Gonzalez <strong>et</strong> al (2011)<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement
Potentiel méthane (L de CH CH4/g<br />
MV)<br />
0,6<br />
0,5<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,1<br />
0<br />
3<br />
ensilage<br />
maïs<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
Digestion anaérobie des biomasses<br />
lisier porc Déch<strong>et</strong>s<br />
végétaux<br />
Déch<strong>et</strong>s<br />
ménagers<br />
lisier bovin algues
Méthanogènes<br />
hydrogénophiles<br />
CO 2 + H 2<br />
3<br />
B. hydrolytiques<br />
Limites identifiées<br />
Matière organique<br />
Monomères :<br />
Monosaccharides, acide aminés,...<br />
B. acidogènes<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
Digestion anaérobie des biomasses<br />
Acides organiques,<br />
alcool,…<br />
B. acétogènes<br />
B. Homoacétogène<br />
Na +<br />
Méthanogènes<br />
acétoclastes<br />
Acétate<br />
CH4 + H2O NH3 CH4 + CO2 Hydrolyse<br />
Acidogénèse<br />
Acétogénèse<br />
Méthanogénèse<br />
Sialve <strong>et</strong> al (2009)<br />
Gonzalez <strong>et</strong> al (2011)
4<br />
Modélisation <strong>du</strong> processus de couplage<br />
Objectifs : Modélisation de la DA des biomasses sélectionnées <strong>et</strong> de leur croissance<br />
vers un modèle <strong>du</strong> système couplé ; développement des lois de contrôle <strong>et</strong><br />
implémentation des lois de contrôle.<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
• Adaptation des modèles de digestion anaérobie <strong>et</strong> de croissance<br />
des microalgues<br />
•• Développement Développement d’un d’un outil outil pour pour appréhender appréhender le dimensionnement<br />
dimensionnement<br />
• Mise en œuvre des algorithmes de contrôle<br />
• Implémentation <strong>et</strong> tests des lois de commande sur pilotes
4<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
Modélisation <strong>du</strong> processus de couplage<br />
Mair<strong>et</strong> <strong>et</strong> al. (2011) Biores. Tech.<br />
Mair<strong>et</strong> <strong>et</strong> al. (2012) Biotech. Bioeng.
4<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
Modélisation <strong>du</strong> processus de couplage<br />
• Conditions opératoires optimales<br />
• Temps de séjour minimal<br />
• <strong>Optimisation</strong> <strong>du</strong> procédé de conversion<br />
énergétique
5<br />
Intégration, conception <strong>et</strong> réalisation d’un pilote<br />
Objectifs : Intégration des résultats obtenus au cours des tâches précédentes<br />
vers la réalisation d’un système couplé à l’échelle pilote.<br />
• Mise en œuvre d’un système couplé à l’échelle laboratoire<br />
• Analyse <strong>du</strong> cycle de vie <strong>du</strong> procédé couplé<br />
• Réalisation d’un système intégré à l’échelle pilote<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement
Cuve de<br />
mélange<br />
Fertilisants N, P, K CO2 in<strong>du</strong>striel<br />
Solution nutritive<br />
Énergie<br />
5<br />
Combustion<br />
Digestats liquides<br />
Épandage<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
Analyse <strong>du</strong> cycle de vie<br />
Bassin de culture<br />
H2O avec CO2<br />
CH4 96%<br />
Digestats solides<br />
Algues 0.5 g.L -1<br />
Purification<br />
biogaz<br />
Chaudière<br />
Décanteur<br />
Biogaz<br />
Biogaz<br />
Centrifugation<br />
Surnageant Surnageant<br />
Algues 10 g.L -1<br />
Chaleur<br />
Centrifugation<br />
Algues 50 g.L-1 Algues 50 g.L-1 Biogaz<br />
Usine<br />
digestion<br />
anaérobie
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
-50<br />
-100<br />
13%<br />
5<br />
Electricity Infrastructures Combustion Fertilizers<br />
Abd Acid Eutro GWP Ozone Hum<br />
Tox<br />
17%<br />
7% 5% 4%<br />
24%<br />
30%<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
Résultats<br />
Photo Land Rad<br />
Roues à aubes<br />
Pompes<br />
Mélange des digesteurs<br />
Purification <strong>du</strong> biogaz<br />
Centrifugation des algues<br />
Injection <strong>du</strong> CO2 dans les bassins<br />
Centrifugation des digestats<br />
Contribution des différents processus<br />
Principale contribution aux impacts:<br />
Électricité<br />
Consommation électrique poste par poste<br />
Principaux postes de consommation<br />
électrique:<br />
-Roues à aubes<br />
-Pompes<br />
-Usine digestion anaérobie<br />
(mélange des digesteurs <strong>et</strong><br />
centrifugation des digestats)
5<br />
Lagune<br />
Long. : 15 m<br />
Largeur : 4 m (canal 2m)<br />
Surface : 56 m2<br />
Hauteur : 60 cm (max)<br />
Volume : 33 m3 (max)<br />
Cuve de mélange<br />
Volume : 2 m3<br />
Phase liquide<br />
Séparateur digestat<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
Pilote démonstrateur<br />
SP2<br />
Phase solide<br />
C2<br />
Biogaz<br />
MET<br />
Méthaniseur<br />
Volume : 500L - 1 m3<br />
SP1<br />
C1<br />
ALG<br />
AIR/CO2<br />
Décanteur<br />
Volume : 2 m3<br />
Cuve de stockage<br />
Volume : 1 m3
Venez à Narbonne<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement
B.Sialve – Naskeo Environnement
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
Pilote Symbiose
5<br />
Capteurs : supervision (INRIA)<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
Instrumentation <strong>et</strong> supervision<br />
Base de données Silex (INRA)<br />
Station météorologique
Conclusions (I)<br />
►La connaissance des symbiontes bactériens se révèle être un enjeu<br />
dans la culture des microalgues<br />
►Les écosystèmes (microalgues/bactéries) isolés <strong>du</strong> milieu naturel sont<br />
capables de répondre favorablement aux contraintes imposées par le<br />
système (<strong>et</strong> offrent une diversité d’intérêt)<br />
►La phase liquide d’un digestat constitue un milieu de culture de choix<br />
pour les espèces étudiées (…)<br />
►Ces biomasses sont à considérer comme un gisement organique<br />
d’intérêt pour la méthanisation<br />
►Limitation des intrants azote/phosphore<br />
►Epuration simultanément d’effluents gazeux <strong>et</strong> des déch<strong>et</strong>s organiques<br />
►Mise à disposition d’une ressource biomasse à proximité <strong>du</strong> digesteur<br />
►Diminution des coûts <strong>et</strong> augmentation <strong>du</strong> rendement énergétique<br />
►Elaboration d’un nouveau modèle de pro<strong>du</strong>ction énergétique <strong>du</strong>rable<br />
►Soutien au développement des filières microalgues énergie<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement
Conclusions (II)<br />
► Symbiose cristallise des compétences multiples : génie des procédés, génie de<br />
l’environnement, écologie, écologie microbienne (algues <strong>et</strong> bactéries),<br />
automatisation, modélisation, ACV…<br />
► Valorisation scientifique des travaux : 26 communications, 11 articles publiés (+ 8<br />
soumis), 1 brev<strong>et</strong> (+3 en cours)<br />
► Pilote opérationnel : plateforme intégrative en mesure de répondre à des<br />
problématiques scientifiques <strong>et</strong> in<strong>du</strong>strielles<br />
► Visibilité internationale (collaborations scientifiques <strong>et</strong> in<strong>du</strong>strielles, post-docs…)<br />
► Les résultats <strong>du</strong> proj<strong>et</strong> Symbiose participe des perspectives in<strong>du</strong>strielles/innovation<br />
de Naskeo Environnement<br />
La méthanisation des microalgues est la réponse à court terme à la<br />
pro<strong>du</strong>ction de bioénergie à partir de ces biomasses <strong>et</strong> à impact<br />
environnemental maitrisé.<br />
B.Sialve – Naskeo Environnement
B.Sialve – Naskeo Environnement<br />
Merci de votre attention<br />
anr-symbiose.org<br />
Contact : bruno.sialve@naskeo.com<br />
Ecolag : Eric Fouilland, Christophe Leboulanger, Emilie Lefloch, Behzad Mostajir, Eric<br />
Pruvost, Christophe Vasseur. IFREMER : Jean-Paul Cador<strong>et</strong>, Gael Bougaran, Raymond Kaas,<br />
Myriam Lechevanton, Jean-Baptiste Bérard, Catherine Rouxel. INRA-LBE : Pierre Coll<strong>et</strong>,<br />
Renaud Escudié, Cristina Gonzales, Arnaud Helias, Laurent Lardon, Eric Latrille, Monique<br />
Ras, Virginie Rossard, Jean-Philippe Steyer . INRIA : Olivier Bernard, Francis Mair<strong>et</strong>,<br />
Frederic Grognard, Pierre Masci, Antoine Sciandra . Naskeo Environnement : Aline<br />
Dannappe, Bruno Marty, Magali Faissolle, Sylvain Frederic, Romy-Alice Goy, Alix Prévost,<br />
Bruno Sialve, Benoit Vassal.
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