alt=Anaerobic digester system|vignette| Système de digesteur anaérobie en Allemagne.

La digestion anaérobie est une séquence de processus par lesquels les micro-organismes décomposent les matériaux biodégradables en l'absence d'oxygène. La méthanisation est la dernière phase de la digestion anaérobie, exploitée pour sa production de méthane.. Les opérations de digestion anaérobie se font dans différents réservoirs fermés appelés digesteur ou biodigesteur.

Le procédé est utilisé à des fins industrielles ou domestiques pour gérer les déchets ou pour produire des combustibles ou carburants ainsi que des fertilisants. Une grande partie de la fermentation utilisée industriellement pour produire des produits alimentaires et des boissons, ainsi que la fermentation à domicile, utilise la digestion anaérobie.

La digestion anaérobie se produit naturellement dans certains sols et dans les sédiments des lacs et des bassins océaniques, où elle est généralement appelée « activité anaérobie ».. C'est la source de méthane de gaz des marais découverte par Alessandro Volta en 1776..

Le processus de digestion commence par l'hydrolyse bactérienne des matières premières. Les polymères organiques insolubles, tels que les glucides, sont décomposés en dérivés solubles qui deviennent disponibles pour d'autres bactéries. Les bactéries acidogènes transforment ensuite les sucres et les acides aminés en dioxyde de carbone, hydrogène, ammoniac et acides organiques. Dans l'acétogenèse, les bactéries convertissent ces acides organiques résultants en acide acétique, ainsi qu'en ammoniac, hydrogène et dioxyde de carbone supplémentaires, parmi d'autres composés. Enfin, les méthanogènes convertissent ces produits en méthane et en dioxyde de carbone.. Les populations d'archées méthanogènes jouent un rôle indispensable dans les traitements anaérobies des eaux usées..

La digestion anaérobie est utilisée dans le cadre du processus de traitement des déchets biodégradables et des boues d'épuration. Dans le cadre d'un système intégré de gestion des déchets, la digestion anaérobie réduit les émissions de gaz de décharge dans l'atmosphère. Les digesteurs anaérobies peuvent également être nourris avec des cultures énergétiques spécifiques, comme le maïs..

La digestion anaérobie est largement utilisée comme source d'énergie renouvelable. Le processus produit un biogaz, composé de méthane, de dioxyde de carbone et de traces d'autres gaz « contaminants ».. Ce biogaz peut être utilisé directement comme carburant, dans des moteurs à gaz à chaleur et énergie combinées ou valorisé en biométhane de qualité gaz naturel. Le digestat riche en nutriments également produit peut être utilisé comme engrais.

Avec la réutilisation des déchets comme ressource et les nouvelles approches technologiques qui ont réduit les , la digestion anaérobie a reçu ces dernières années une attention accrue de la part des gouvernements d'un certain nombre de pays, parmi lesquels Royaume-Uni (2011), Allemagne, Danemark (2011)., et États-Unis..

Processus De nombreux microorganismes affectent la digestion anaérobie, y compris les bactéries formant de l'acide acétique (acétogènes) et les archées méthanogènes. Ces organismes favorisent certains processus chimiques dans la conversion de la biomasse en biogaz..

L'oxygène gazeux est exclu des réactions par confinement physique. Les anaérobies utilisent des accepteurs d'électrons provenant de sources autres que l'oxygène gazeux. Ces accepteurs peuvent être le matériau organique lui-même ou peuvent être fournis par des oxydes inorganiques à partir de l'intérieur du matériau d'entrée. Lorsque la source d'oxygène dans un système anaérobie est dérivée de la matière organique elle-même, les produits finaux « intermédiaires » sont principalement les alcools, les aldéhydes et les acides organiques, plus le dioxyde de carbone. En présence de méthanogènes spécialisés, les intermédiaires sont convertis en produits « finaux » de méthane, de dioxyde de carbone et de traces de sulfure d'hydrogèneAdapté de .. Dans un système anaérobie, la majorité de l'énergie chimique contenue dans le matériau de départ est libérée par les bactéries méthanogènes sous forme de méthane Fergusen, T. & Mah, R. (2006) Methanogenic bacteria in Anaerobic digestion of biomass, p49.

Les populations de micro-organismes anaérobies mettent généralement un certain temps à s'établir pour être pleinement efficaces. Par conséquent, une pratique courante consiste à introduire des microorganismes anaérobies à partir de matériaux accompagnés de populations existantes, un processus connu sous le nom d' « ensemencement » des digesteurs, généralement accompli avec l'ajout de boues d'épuration ou de lisier de bétail..

Étapes du processus Les quatre étapes clés de la digestion anaérobie impliquent l'hydrolyse, l'acidogenèse, l'acétogenèse et la méthanogenèse. Le processus global peut être décrit par la réaction chimique, où une matière organique telle que le glucose est digérée biochimiquement en dioxyde de carbone () et en méthane () par les micro-organismes anaérobies.C 6 H 12 O 6 → 3CO 2 + 3CH 4

Hydrolyse

Dans la plupart des cas, la biomasse est constituée de gros polymères organiques. Pour que les bactéries des digesteurs anaérobies accèdent au potentiel énergétique du matériau, ces chaînes doivent d'abord être décomposées en leurs plus petites parties constituantes. Ces éléments constitutifs, ou monomères, tels que les sucres, sont facilement disponibles pour d'autres bactéries. Le processus de rupture de ces chaînes et de dissolution des plus petites molécules en solution est appelé hydrolyse. Par conséquent, l'hydrolyse de ces composants polymères de haut poids moléculaire est la première étape nécessaire dans la digestion anaérobie. Par l'hydrolyse, les molécules organiques complexes sont décomposées en sucres simples, acides aminés et acides gras.

L'acétate et l'hydrogène produits dans les premières étapes peuvent être utilisés directement par les méthanogènes. D'autres molécules, comme les acides gras volatils (AGV) avec une longueur de chaîne supérieure à celle de l'acétate, doivent d'abord être catabolisées en composés directement utilisables par les méthanogènes.

Acidogenèse

Le processus biologique d'acidogenèse entraîne une dégradation supplémentaire des composants restants par des bactéries acidogènes (fermentatives). Ici, des AGV sont créés, ainsi que de l'ammoniac, du dioxyde de carbone et du sulfure d'hydrogène, ainsi que d'autres sous-produits. Le processus d'acidogenèse est similaire à la façon dont le lait fermente.

Acétogenèse

La troisième étape de la digestion anaérobie est l'acétogenèse . Ici, les molécules simples créées par la phase d'acidogenèse sont ensuite digérées par les acétogènes pour produire en grande partie de l'acide acétique, ainsi que du dioxyde de carbone et de l'hydrogène..

Méthanogenèse

L'étape terminale de la digestion anaérobie est le processus biologique de méthanogenèse. Ici, les méthanogènes utilisent les produits intermédiaires des étapes précédentes et les transforment en méthane, en dioxyde de carbone et en eau. Ces composants constituent la majorité du biogaz émis par le système. La méthanogenèse est sensible aux pH élevés et faibles et se produit entre 6,5 et 8 de pH.. La matière non digestible restante que les microbes ne peuvent pas utiliser et les restes bactériens morts constituent le digestat.

Configuration alt=Comparison of common biogas technologies|vignette| Comparaison des technologies de biogaz courantes. Les digesteurs anaérobies peuvent être conçus et fabriqués pour fonctionner en utilisant un certain nombre de configurations différentes ; ils peuvent être classés en mode de processus discontinu ou continu, conditions de température mésophile ou thermophile, portion élevée ou faible de matières sèches et processus à une seule étape ou à plusieurs étapes. Le processus continu nécessite une conception plus complexe, mais il peut néanmoins s'avérer plus économique que le processus par lots, car le processus par lots est plus cher pour la construction initiale, et exige un plus grand volume de digesteurs (répartis sur plusieurs lots) pour traiter la même quantité de déchets qu'un processus de digesteur continu. Une quantité d'énergie thermique plus élevée est requise dans un système thermophile par rapport à un système mésophile, mais le système thermophile nécessite beaucoup moins de temps, a une capacité de sortie de gaz plus grande, et une teneur en gaz méthane plus élevée ; il faut donc considérer ce compromis avec soin.

Pour la teneur en matières sèches, la portion basse gérera jusqu'à 15% de teneur en matière sèche. Au-dessus de ce niveau, on considère que la teneur en matières sèches est élevée et le processus appelé digestion sèche..

Dans un processus en une seule étape, un réacteur abrite les quatre étapes de digestion anaérobie. Un procédé à plusieurs étapes utilise deux réacteurs ou plus pour la digestion afin de séparer les phases de méthanogenèse et d'hydrolyse.

Discontinu ou continu La digestion anaérobie peut être effectuée sous la forme d'un processus discontinu (ou par fournées) ou d'un processus continu. Dans un système discontinu, la biomasse est ajoutée au réacteur au début du processus. Le réacteur est ensuite scellé pendant toute la durée du processus. Dans sa forme la plus simple, le traitement par lots nécessite une inoculation, avec du matériel déjà traité, pour démarrer la digestion anaérobie. Dans un scénario typique, la production de biogaz sera formée avec un modèle de distribution normal au fil du temps. Les opérateurs peuvent utiliser ce fait pour déterminer quand ils pensent que le processus de digestion de la matière organique est terminé. Il peut y avoir de graves problèmes d'odeur si un réacteur discontinu est ouvert et vidé avant que le processus ne soit bien terminé. Un type d'approche par lots plus avancé a limité les problèmes d'odeurs en intégrant la digestion anaérobie avec le . Dans cette approche, l'inoculation a lieu par l'utilisation de percolat dégazé recirculé. Une fois la digestion anaérobie terminée, la biomasse est conservée dans le réacteur qui est ensuite utilisée pour le compostage en cuve avant son ouvertureaikantechnology.com Retrieved 10. Feb. 2012.. Comme la digestion discontinue est simple et nécessite moins d'équipement et des niveaux de conception de digestion moins chèreAnaerobic digestion , energy.ca.gov. Retrieved 18.06.09.. L'utilisation de plus d'un réacteur discontinu dans une usine peut garantir une production constante de biogaz.

Dans les processus de digestion continue, la matière organique est constamment ajoutée (mélange complet continu) ou ajoutée par étapes au réacteur (écoulement tampon continu ; premier entré - premier sorti). Ici, les produits finis sont constamment ou périodiquement éliminés, ce qui entraîne une production constante de biogaz. Un ou plusieurs digesteurs en cascade peuvent être utilisés. Des exemples de cette forme de digestion anaérobie sont compris dans les (), (, UASB), (, EGSB), (, IC)BIOPAQ IC, paques.nl. Retrieved 19.08.07.Biological processes with Biomar technology envirochemie.com. Retrieved 24.10.2012..

Température Les deux niveaux de température de fonctionnement conventionnels pour les digesteurs anaérobies déterminent les espèces de méthanogènes dans les digesteurs. :

la digestion mésophile se déroule de manière optimale autour de 30 à , ou à des températures ambiantes comprises entre 20 et , où les mésophiles sont les principaux micro-organismes présents ; la digestion thermophile se déroule de manière optimale autour de 49 à , ou à des températures élevées jusqu'à , où les thermophiles sont les principaux micro-organismes présents.