Impact de prétraitements fongiques sur la méthanisation de la biomasse lignocellulosique, caractérisation des substrats transformés

Fungal pretreatment for lignocellulosic biomass anaerobic digestion

• Auteur / Autrice : Elsa Rouches
• Direction : Hélène Carrère
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 17/12/2015
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences des Procédés – Sciences des Aliments (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biotechnologie de l'Environnement (Narbonne)
• Jury : Président / Présidente : Christelle Wisniewski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Carrère, Christelle Wisniewski, Rémy Bayard, Thierry Ribeiro, Agnès Maritchù Guiresse, Isabelle Herpoël-Gimbert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rémy Bayard, Thierry Ribeiro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomasse -- Gazéification

Lignocellulose

Méthanisation

Mots clés libres

Méthanisation

Paille de blé

Pourritures blanches

Conditions de culture

Fermentation en milieu solide

Méthane

Solid State Anaerobic Digestion

Wheat straw

White-Rot Fungi

Culture conditions

Solid-State-Fermentation

Methane

Résumé

La méthanisation de la biomasse lignocellulosique est un des moyens les plus efficients pour la production d’énergie renouvelable. Cependant, la lignine présente dans cette biomasse est difficile à hydrolyser. Cette limite peut être surmontée grâce aux prétraitements. Parmi eux, les prétraitements peu couteux par pourritures blanches sont attrayants mais ils ont été peu appliqués pour la digestion anaérobie. La présente étude explore les prétraitements par pourritures blanches de la paille de blé afin d’en améliorer sa méthanisation. Tout d’abord, une étape de sélection a révélé l’efficacité de la souche Polyporus brumalis BRFM 985 puisque 43% de méthane supplémentaire ont été obtenus par gramme de matières volatiles par comparaison avec la paille témoin. En prenant en compte les pertes de matières occasionnées par le prétraitement, cela correspondait à 21 % d’amélioration par gramme de matière sèche initiale. De plus, il a été montré que l’addition de glucose durant le prétraitement limitait la délignification et donc la production de méthane du substrat. Puis, des échantillons prétraités furent obtenus lors d’un plan d’expérience visant à optimiser le prétraitement par P. brumalis BRFM 985 ; les paramètres du prétraitement testés étaient : la durée et la température de culture, l’humidité initiale du substrat et l’addition de métaux. Les surfaces de réponse de la production de méthane à partir de ces échantillons furent construites. La production optimale de méthane ne fut pas atteinte dans le domaine expérimental testé mais l’impact positif de l’addition de métaux fut démontré, ainsi que l’importance de choisir une durée de culture adaptée. Ensuite, l’usage de la technique de la pyrolyse-GC-MS pour évaluer l’efficacité du prétraitement fut étudié. Une estimation de la quantité de biomasse fongique avec cette méthode apparaît possible. Le ratio polysaccharides/lignine déterminé par py-GC-MS a permis de classer des échantillons prétraités selon leur biodégradabilité anaérobie. La digestion anaérobie en voie sèche (DAVS) de paille de blé prétraitée en réacteur pilote fut menée en batch avec recirculation des lixiviats. Durant le démarrage de la DAVS, un trop fort S/I mène à une accumulation d’acides gras volatils (AGV) et parfois à la défaillance de la DAVS. Néanmoins, de forts S/I permettent de traiter plus de substrat et augmentent la production de méthane par volume de réacteur. Avec la paille de blé, des S/I entre 2 et 3 (en matières volatiles) permettent un bon démarrage de la DAVS. Alors qu’un ratio AGV totaux/alcalinité inférieur à 0,6 correspond à des réacteurs stables en digestion anaérobie voie liquide ; cette limite semble mal adaptée à la DAVS. Il fut observé que la DAVS pouvait récupérer d’une phase d’acidification tant que le ratio AGV totaux/alcalinité était inférieur à 2 et que la concentration en AGV était inférieure à 10 g/L dans les lixiviats. Malgré une amélioration de la biodégradabilité et une phase de démarrage facilitée, le prétraitement fongique non optimisé ne permit pas d’améliorer la production de méthane après prise en compte des pertes de matière occasionnées par le prétraitement.

Anaerobic digestion of lignocellulosic biomass is one of the most efficient ways to produce renewable energy. However, lignin contained in this biomass is difficult to hydrolyze. This limitation can be overcome by pretreatments. Among them, low-cost white-rot fungi pretreatments seem attractive but were scarcely applied for anaerobic digestion. The current study investigates white-rot fungi pretreatments of wheat straw to improve its methane production. Firstly, a selection step has revealed the efficiency of Polyporus brumalis BRFM 985 since 43% more methane per gram of pretreated volatile solids were obtained compared to the control straw. Taking into account the dry weight loss occurring during the pretreatment, it still corresponded to 21% more methane per gram of initial total solids. Moreover, glucose addition during the pretreatment was shown to limit delignification and thus methane production from the substrate. Secondly, pretreated samples were obtained in an experiment device aiming to optimize the pretreatment with P. brumalis BRFM 985; tested pretreatments parameters were: culture duration, temperature, initial substrate moisture content and metals addition. Response surfaces of methane production from those samples were built. Optimum methane production was not reached in the experimental domain but the positive impact of metals addition was demonstrated, so as the importance to choose adequate culture duration. Then, the use of pyrolysis-GC-MS technic to access pretreatment efficiency was studied. Estimation of fungal biomass amount on wheat straw with this method appeared possible. Polysaccharides/lignin ratio determined with py-GC-MS allowed to classify some pretreated samples according to their anaerobic degradability. Solid State Anaerobic Digestion (SSAD) of wheat straw pretreated in pilot-reactor was carried out in batch with leachate recycle. During SSAD start-up phase, too high Substrate/Inoculum (S/I) ratio leads to Volatile Fatty Acid (VFA) accumulation and sometimes to reactor failure but with high S/I more substrate can be treated and methane production per reactor volume increases. With wheat straw, S/I between 2 and 3 (Volatile Solid basis) allow a successful start-up in SSAD. Whereas Total VFA/alkalinity ratio under 0.6 corresponds to stable wet anaerobic digestion; this limit seems not well adapted to SSAD. It was observed that SSAD reactors were able to recover from acidification phase when Total VFA/alkalinity was lower than 2 and with VFA concentrations inferior to 10 g/L in leachate. Despite the improvement of biodegradability and the facilitation of start-up phase, non-optimized fungal pretreatment did not improve methane production after taking into account mass losses occurring during the pretreatment.