Compréhension et optimisation du traitement biologique anaérobie des coproduits de l’industrie sucrière

par Rita Tozy

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Dominique Pareau.

Le président du jury était Martine Decloux.

Le jury était composé de Dominique Pareau, Martine Decloux, Marc-André Théoleyre, Hervé Graser, Michel Torrijos, Patrick Perré.

Les rapporteurs étaient Hélène Carrère, Thierry Ribeiro.


  • Résumé

    Intégrée dans une unité de production de sucre et d'éthanol, la digestion anaérobie peut fournir une solution écologique pour traiter la matière organique tout en fournissant l'énergie qui peut, en partie, couvrir les besoins énergétiques de l'usine. L’objet de cette thèse de doctorat est la compréhension et l’optimisation de la méthanisation des coproduits de sucrerie et de distillerie de betterave dans l’optique d’une intégration industrielle du procédé. D’une part, la faisabilité de la digestion des pulpes en mono-substrat et sans dilution en réacteur parfaitement agité a été démontrée. La digestion thermophile s’est révélée efficace et stable jusqu’à une charge organique comprise entre 5 et 5,9 kg MO/m3.j. La biodégradabilité des pulpes est élevée, le taux d’abattement de matière organique de 88,1% et la production spécifique de méthane de 0,353 Nm3 CH4/kg MO. Des contraintes technologiques spécifiques aux pulpes, comme par exemple les phénomènes de moussage ou d’abrasion des pompes, ont été mises en évidence.D’autre part, la méthanisation des vinasses en conditions mésophiles a révélé les limites du procédé parfaitement agité. La charge maximale, autour de 3 kg DCO/m3.j, a permis d’obtenir une production spécifique de méthane de 0,353 Nm3 CH4/kg MO mais l’accumulation de sels d’acides gras volatils, y compris à faible charge organique, indique un déséquilibre entre les flores acidogène et méthanogène. D’un point de vue biologique, il semble que c’est la concentration élevée en sels des vinasses (C=31,7 mS/cm et [K]=14 g/L), qui représenterait le frein principal au développement et à l’activité des microorganismes. L’utilisation du modèle AM2, qui distingue deux phases, acidogénèse et méthanogénèse, a mis en évidence un faible taux de croissance spécifique des archées méthanogènes. L’extraction partielle des sels par électrodialyse a permis de lever une partie de cette inhibition, tandis que leur dilution a permis, à charge organique équivalente, de diminuer le temps de séjour d’un facteur 4 sans altérer les performances de la méthanisation, ceci en diminuant les concentrations en acétate et propionate dans le digesteur. Pour permettre l’intensification du procédé, le recyclage des microorganismes dans le digesteur a été étudié et a permis d’atteindre une charge organique de 6 à 7 kg DCO/m3.j. Enfin, la caractérisation des digestats de méthanisation a permis d’envisager leurs différentes voies de traitement (évapoconcentration, séparation solide/liquide,…) et de vérifier leurs caractéristiques agronomiques.En perspective, Cristal Union envisage la construction d’un démonstrateur permettant de tester différentes configurations à l’échelle industrielle. Le traitement successif des coproduits selon leur disponibilité, les pulpes en campagne sucrière, puis les vinasses en intercampagne, est envisagé. Les phases de transition entre ces deux périodes ont été étudiées et la faisabilité d’une alimentation mixte, sans réduction de la charge, démontrée. Dans cette optique, notre choix se porterait sur des conditions de température mésophiles, plus favorables au traitement d’un produit tel que les vinasses. Un système de recyclage de la biomasse est alors indispensable.

  • Titre traduit

    Study and optimisation of the anaerobic digestion of coproducts from the sugar industry


  • Résumé

    The growing international demand for energy and water constitutes a significant challenge for modern industry. Integrated in a sugar and ethanol factory, anaerobic digestion can provide an environmentally friendly solution by using organic matter co-products to provide energy that can partially cover the factory’s needs. The purpose of this doctoral thesis is the study of the anaerobic digestion of sugar beet pulps and distillery vinasses. We used a multiscale approach to achieve the two main objectives: understanding the biological phenomena involved and analyzing the technological problems that can occur in the digesters. We first demonstrated the feasibility of the anaerobic digestion of beet pulps in a continuously stirred tank reactor (CSTR) without water addition. Thermophilic digestion was effective and we achieved a high degradation of pulps with satisfactory biogas yields. The thermophilic process could operate stably up to an organic loading rate of 5 to 5,9 kg VS.m-3.d-1. The biodegradability of pulps was very high and allowed to obtain a VS destruction of 88,1% with a specific methane production of 0,353 Nm3 CH4.kg-1 VS. Next, the mesophilic anaerobic digestion of vinasses revealed the limits of the CSTR process for the treatment of this high strength distillery wastewater. The maximum loading rate reached was between 2 and 3 kg COD.m-3.d-1, with a specific methane production of 0,344 Nm3 CH4.kg-1 VS. However, the accumulation of volatile fatty acid salts, even at low organic loading rates, indicated an imbalance between acidogenic and methanogenic microflora. From a biological perspective, we assumed that the high salt concentration of vinasses (up to 41,3 mS/cm) is the main obstacle to the development and activity of microorganisms, as a two-reaction model (AM2) showed low specific growth rate of methanogens. The partial extraction of salts by electrodialysis allowed to remove a part of this inhibition, while their dilution led, at equivalent organic loading rate, to the reduction of the residence time by a factor 4. This was achieved without decreasing methane yield, while also reducing concentrations of acetate and propionate in the digester. To enable process intensification, biomass recycling in the digester, after the centrifugation, was tested to compensate for their low specific growth rates; loading rates reached 7 kg COD.m-3.d-1. We subsequently put in place a strategy for digesters control, to ensure effective monitoring. Finally, we had to characterize the digestates and to consider their different treatment paths. (evapoconcentration, solid / liquid separation, ...) before final valorization. For the industrial scale up, we envisage the successive treatment of the coproducts according to their availability: pulps during the sugar campaign and then vinasses in the intercampaign. As such, we also studied the transition periods and demonstrated the feasibility of a mixed feed, without reducing the loading rate. For such a project, we would choose mesophilic temperature conditions, more favorable for the treatment of a product like vinasses. A system for biomass recycling, whose efficiency was demonstrated, must be installed when the vinasses are treated. The system needs to be compatible with the treatment of the two substrates proposed, for example centrifugation or filtration.



Le texte intégral de cette thèse n'est pas accessible en ligne.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : CentraleSupélec. Bibliothèque électronique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.