Optimisation de la digestion anaérobie de la vinasse de canne à sucre : modélisation et expérimentations à l’échelle du laboratoire

Optimisation of anaerobic digestion of sugar cane vinasse : modelling and laboratory scale experiments

• Auteur / Autrice : Hélène Caillet
• Direction : Laëtitia Adelard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 30/11/2019
• Etablissement(s) : La Réunion
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Technologies et Santé (Saint-Denis, La Réunion ; 2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et d'Ingénierie mathématique pour l'énergie et l'environnement (Saint-Denis, Réunion)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Carrère
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean Castaing-Lasvignottes, Alain Bastide, Daniel Madyira, Lingai Luo, Thomas Petit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kamal El Omari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Modélisation CFD

Distillerie -- Sous-produits

Méthanisation

Mots clés libres

Digestion anaérobie

Expérimentation

Simulations CFD

Hydrodynamique

Agitation mécanique

Vinasse

Anaerobic digestion

Experimentation

CFD simulations

Hydrodynamic

Mechanical stirring

Vinasse

Résumé

La digestion anaérobie est un processus naturel où la matière organique est dégradée par des microorganismes en l’absence d’oxygène générant ainsi un biogaz composé essentiellement de méthane et de dioxyde de carbone. L’industrialisation du procédé et l’intérêt de la production de biogaz en tant qu’énergie renouvelable, poussent au traitement de substrats variés. À l’échelle industrielle, l’agitation mécanique ou la recirculation doivent permettre la diffusion des microorganismes vers la matière organique à traiter. Ces apports mécaniques sont un poste important de consommation énergétique. En outre, le couplage et les interrelations entre agitation mécanique à l’intérieur des digesteurs et les transferts de masse ont été peu approchées en méthanisation. Ces recherches proposent une première contribution à cette problématique. Dans cette optique, nous étudions l’impact de l’agitation sur les rendements en biogaz de la digestion anaérobie de la vinasse brute en s’appuyant sur des expérimentations et des simulations numériques basés sur la mécanique des fluides (CFD). Les expérimentations menées portent sur la détermination du potentiel méthanogène de la vinasse ainsi que l’étude dans des conditions réelles à différentes intensités d’agitation, en suivant les propriétés physicochimiques du milieu au cours de la digestion. En parallèle, des simulations CFD sur les écoulements au sein d’un digesteur agité mécaniquement sont effectuées afin d’apporter des éléments de compréhension sur les écoulements au sein d’un digesteur agité. Ces travaux sont en accord avec l’étude bibliographique, notamment le fait que l’agitation mécanique a un impact sur les rendements en biogaz.

Anaerobic digestion is a natural process where organic matter is degraded by microorganisms in the absence of oxygen, generating a biogas composed mainly of methane and carbon dioxide. The industrialisation of the process and the interest of biogas production as a renewable energy source led to the processing of a wide range of substrates. On an industrial scale, mechanical agitation or recirculation must allow the diffusion of microorganisms to the organic matter to be treated. These mechanical contributions are an important factor in energy consumption. In addition, the coupling and interrelationships between mechanical agitation inside the digesters and mass transfers have been poorly addressed in methanisation. This research proposes a first contribution to this problem. In this perspective, the impact of mechanical agitation on biogas yields of anaerobic digestion of raw vinasse using experiments is studied and a numerical simulations based on fluid mechanics (CFD) are carried out. The experiments carried out concern the determination of the methanogenic potential of the vinasse as well as the study under real conditions at different agitation intensities, following the physicochemical properties of the medium during digestion. In parallel, CFD simulations on flows in a mechanically stirred digester are performed to provide understanding of flows in a stirred digester. This work is in line with the literature review, particularly the fact that mechanical agitation has an impact on biogas yields.