Méthanisation des plastiques biodégradables : performances et diversité microbienne

Anaerobic digestion of biodegradable plastics : performances and microbial diversity

• Auteur / Autrice : Guillaume Cazaudehore
• Direction : Rémy Guyoneaud, Florian Monlau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie et biologie des organismes - populations - interactions
• Date : Soutenance le 11/03/2022
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les matériaux (Pau) - Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement et les materiaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Massardier-Nageotte, Sandra Domenek, Alice L'Hostis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Dabert, Nicolas Bernet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biodégradation

Matières plastiques biodégradables

Mots clés libres

Digestion anaérobie

Bioplastique

Polylactic acid

Polyhydroxybutyrate

Prétraitement

Biodégradation

PPotentiel méthanogène

Micro-organismes

Anaerobic digestion

Bioplatics

Polylactic acid

Polyhydroxybutyrate

Pretreatment

Biodegradation

Methane potential

Microorganisms

Résumé

L'impact environnemental des plastiques conventionnels conduit à un développement et à un déploiement de matériaux alternatifs comme les plastiques biodégradables. Ces plastiques biodégradables ont pour avantage, par rapport aux plastiques conventionnels, de pouvoir être traités en filière de recyclage organique (méthanisation ou compostage). Cependant, l'étude de la fin de vie des plastiques biodégradables en méthanisation en est encore à ses débuts. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est d'étudier le devenir de ces matériaux en digestion anaérobie (DA) mésophile et thermophile, leurs performances de biodégradation et les microorganismes qui sont impliqués dans leur biodégradation. Des expérimentations de DA en mode batch ont été réalisées sur les principaux polymères biodégradables (PHB, PLA, PCL, PBAT, TPS, PBS) et sur trois mélanges commerciaux, en conditions mésophiles et thermophiles. Seul le poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) et l'amidon thermoplastique (TPS) ont présenté une conversion en méthane rapide (25-50 jours) et importante (57-80,3% et 80,2-82,6%, respectivement). Des bactéries précédemment identifiées comme des dégradeurs de PHB (i.e., Enterobacter, Ilyobacter delafieldii et Cupriavidus) ont été observées pendant la dégradation mésophile et thermophile du PHB. De la même manière, des bactéries dégradant l'amidon (du genre Clostridium) ont été retrouvées lors de la dégradation thermophile et mésophile du TPS. La cinétique de biodégradation du PLA était très lente en conditions mésophiles (500 jours pour une biodégradation du PLA de 74.7 à 80.3%). La condition thermophile était beaucoup plus favorable (60 à 100 jours pour la même biodégradation). Les bactéries consommatrices de lactate, comme Tepidimicrobium, Moorella et Tepidanaerobacter ont été mises en évidence durant la dégradation thermophile du PLA. La faible cinétique de biodégradation de la plupart des plastiques biodégradables dans les digesteurs anaérobies mésophiles est un obstacle majeur à leur introduction à l'échelle industrielle. Des prétraitements thermiques (120 ou 150 °C) et thermo-alcalins (70 °C ou 90 °C avec ajout d'hydroxyde de calcium) ont été mis en œuvre avec succès sur le PLA qui représente 25% de la production de plastique biodégradable. Ces traitements permettaient d'atteindre un rendement de biodégradation de 73% après 15-20 jours.La stabilité et les performances de la co-digestion du PHB et du PLA (avec et sans prétraitement) avec des biodéchets en conditions mésophiles ont ensuite été validés à l'échelle pilote semi-continu afin d’être plus représentatif de la réalité industrielle. L'ajout de plastiques biodégradables a donné lieu à un processus plus stable par rapport à la condition biodéchets seul et aucun effet négatif n'a pu être détecté. Une biodégradation complète du PHB a été mesurée alors que le PLA s'est accumulé dans le réacteur, et une biodégradation moyenne de 47,6 % a été estimée pendant le troisième temps de rétention hydraulique. Le prétraitement thermo-alcalin du PLA a amélioré le rendement de biodégradation à 77,5%. Enfin, une zone d'ombre autour de la qualité et de l'innocuité des digestats ayant traités des plastiques biodégradables subsiste, celle-ci devra être impérativement levée dans un avenir proche.

Growing concern regarding non-biodegradable plastics and the impact of these materials on the environment has promoted interest in biodegradable plastics. Biodegradable plastics offer additional waste management options (e.g., anaerobic digestion or composting) over conventional plastics. However, the treatment of biodegradable plastics under anaerobic digestion is only in its infancy. Therefore, the aim of this thesis was to investigate the fate of biodegradable plastics in anaerobic digestion systems and the microorganisms involved in the plastic conversion to methane.For this purpose, batch anaerobic digestion experiments were performed on the main biodegradable polymers and on three commercial blends of biodegradable polymer, under both mesophilic and thermophilic conditions. Only Poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) and Thermoplastic starch (TPS) exhibited rapid (25-50 days) and important (57-80.3% and 80.2-82.6%, respectively) conversion to methane under both mesophilic and thermophilic condition. Methane production rates from poly(lactic acid) (PLA) was very low under mesophilic condition, to such an extent that 500 days were required to reach the ultimate methane production, corresponding to a PLA conversion to methane of 74.7-80.3%. Methane production rate from PLA was greatly enhanced under thermophilic condition since only 60 to 100 days were required to reach the same ultimate methane production. Lactate-utilizing bacteria such as Tepidimicrobium, Moorella and Tepidanaerobacter were revealed to be important during the thermophilic digestion of PLA. Similarly, starch-degrading bacteria (from Clostridium genus) were highlighted during TPS digestion at 38 °C and 58°C. Previously known PHB degraders (i.e., Enterobacter, Ilyobacter delafieldii and Cupriavidus) were observed during mesophilic and thermophilic AD of PHB. The low biodegradation rate of most of the biodegradable plastics in mesophilic anaerobic digesters is a major hindrance to their introduction at industrial scale. Thermal (at 120 or 150 °C) and thermo-alkaline (at 70°C or 90 °C with calcium hydroxide addition) pretreatments were successfully implemented on PLA. These strategies were tested on PLA, which is one of the main biodegradable polymer, accounting for 25% of the biodegradable plastic production. PLA pretreated with these treatments, achieved biodegradation yield of 73% after 15-20 days; a similar biodegradation yield was obtained after 500 days for untreated PLA.PHB and PLA are among the most studied polymer to replace conventional plastics. Finally, the stability and performances of the co-digestion of these plastics (with and without PLA pretreatment) with food wastes fed semi-continuously under mesophilic conditions was investigated. The addition of biodegradable plastics resulted in a more stable process (in comparison with stand-alone biowastes reactor) and no negative effects could be detected. PHB was estimated to be fully biodegraded in the reactors. By contrast, PLA was accumulating in the reactor, and an average biodegradation of 47.6% was estimated during the third hydraulic retention time. Thermo-alkaline pretreatment of PLA improved the biodegradation yield of PLA to 77.5%. The identification of specific microorganisms implicated in the biodegradable plastic degradation was complicated; the majority of the microorganisms correlated with the methane production from reactors co-digesting PLA and PHB were implicated in the anaerobic digestion of the biowaste, which can be explained by the low proportion of biodegradable plastics introduced.