Hydrogen production from anaerobic co-digestion of coffee mucilage and swine manure

par Mario Andres Hernandez Pardo

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Yves Andres et de Manuel Rodriguez Susa.

Soutenue le 22-11-2012

à Nantes, Ecole des Mines en cotutelle avec l'Universidad de los Andes (Bogotá). Facultad de ingenieria , dans le cadre de Sciences pour l'ingénieur, géosciences, architecture , en partenariat avec Laboratoire de génie des procédés - environnement - agroalimentaire / GEPEA (laboratoire) .

Le président du jury était Laurence Le Coq.

Le jury était composé de Johanna Husserl.

Les rapporteurs étaient Abdeltif Amrane, Patrick Dabert.

  • Titre traduit

    Production d hydrogène par co-digestion anaérobie de mucilage du café et de lisier de porc


  • Résumé

    Cette étude examine une approche alternative à l'utilisation de deux déchets provenant des activités agricoles et d'élevage développés en Colombie. Lisier de porc et de mucilage café ont été utilisés pour évaluer une co-digestion anaérobie processus axé sur la production d'hydrogène. En outre, les objectifs couvert une nouvelle étape dans le but de fermer le cycle des déchets fois. La thèse a été menéeen trois phases : 1. Evaluation de la productiond'hydrogène à partir de la co-digestion de mucilage café et du lisier de porc pendant la fermentation sombre ; 2. Évolution dans le temps de rétention par la surveillance des micro-organismes par qPCR et d'autres paramètres incluiding pH, le potentiel d'oxydo-réduction, et une pression partielle d'hydrogène ; 3. Traitement de l'effluent de processus de production d'hydrogène par digestion anaérobie avec production de méthane. Les résultats expérimentaux ont montré que les mélanges de deux déchets sont en mesure de produire de l'hydrogène. Un ratio substrat de 5:5, ce qui a été associé à un rapport C/N de 53, a été adapté pour la production d'hydrogène. En outre, la stabilité et l'optimisation du processus ont été évalués par l'augmentation du taux de charge organique influent. Ce fut la meilleure condition expérimentale en termes de taux moy en volume d'hydrogène cumulatif de production et de rendement qui étaient 2661 NmL, 760 NmL H2/Lwdet 43 NmL H2/gDCO, respectivement. Cette performance a été préservé au fil du temps, ce qui a été vérifié par la culture discontinue répétitive pendant 43 jours. Deux tendances ont été identifiées au cours du temps de rétention associée à l'hydrogène cumulatif similaire, mais avec des différences de phase de latence le temps et le taux de production d'hydrogène. T. thermosaccharolyticum était le genre dominant au cours de la tendance à court lié à la plus courte phase de latence de temps et plus le taux de production d'hydrogène. Les tendances de long ont été associées à une diminution de Bacillus sp. concentration au début des expériences, et avec le concours possible pour des substrats solubles entre T. thermosaccharolyticum et Clostridium sp. La troisième phase a montré que l'utilisation d'une deuxième phase pour produire du méthane était utile d'améliorer le traitement des déchets tant. Enfin, l'énergie totale produite à la fois pour les biocarburants ont montré des niveaux similaires avec d'autres processus. Cependant,l'hydrogène a été d'environ 10% de l'énergie totale produite dans le processus. En outre, les deux gaz peuvent être mélangés pour produire biohythane qui améliore les propriétés de biogaz.


  • Résumé

    This research investigates an alternative approach to the use of two wastes from agricultural and livestock activities developed in Colombia. Swinemanure and coffee mucilage were used to evaluatean anaerobic co-digestion process focused on hydrogen production. In addition, the aims covered a further stage in order to close the cycle of the both wastes. The thesis was conducted in three phases : 1. Evaluation of hydrogen production from the co-digestion of coffee mucilage and swine manure during dark fermentation ; 2. Trends over retention time through the monitoring of microorganisms by quantitative PCR and other parameters incluiding pH, oxidation reduction potential, and hydrogen partial pressure ; 3. Treatment of the effluent from hydrogen production process by anaerobic digestion with methane production. The experimental results showed that mixtures of both wastes are able to produce hydrogen. A substrate ratio of 5:5, which was associated with a C/N ratio of 53, was suitable for hydrogen production. Moreover, the stability and optimization of the process were evaluated by increasing the influent organic load rate. This wasthe best experimental condition in terms of average cumulative hydrogen volume, production rate and yield which were 2661 NmL, 760 NmLH2/Lwd and 43 NmL H2/gCOD, respectively. This performance was preserved over time, which was verified through the repetitive batch cultivation during 43 days. Two trends were identified over retention time associated with similar cumulative hydrogen, but with differences in lag-phase time and hydrogen production rate. T.thermosaccharolyticum was the dominating genus during the short trend related to the shortest lag phase time and highest hydrogen production rate. The long trends were associated with a decrease of Bacillus sp. concentration at the beginning of the experiments and with the possible competition for soluble substrates between T.thermosaccharolyticum and Clostridium sp. The third phase showed that the use of a second stage to produce methane was useful enhancing the treatment of both wastes. Finally, the overall energy produced for both biofuels (Hydrogen andmethane) showed similar levels with other process. However, hydrogen was around the 10% of the overall energy produced in the process. In addition, both gases could be mixed to produce biohythane which improves the properties of biogas.


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