Biométhanation du gaz de synthèse : Développements méthodologiques pour la détermination des paramètres cinétiques

Biomethanation of synthesis gas : Methodological approaches for determining kinetic parameters

• Auteur / Autrice : Mathis Lemonnier
• Direction : Pierre Buffière, Hassen Benbelkacem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés
• Date : Soutenance le 12/05/2026
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : DEEP - Déchets Eaux Environnement Pollutions, EA 7429 (Lyon, INSA) - Déchets Eaux Environnement Pollutions / DEEP
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Claire Dumas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Buffière, Hassen Benbelkacem, Claire Dumas, Renaud Escudié, Eric Olmos, Julie Figueras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Renaud Escudié, Eric Olmos
• DOI : 10.70675/dd2604c9zc80fz4c03zb34dz939d24453ec4

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthanisation

Mots clés libres

Biométhanation

Syngaz

Transfert de matière

Bioprocédé

Modélisation

Gaz de synthèse

Biomethanation

Syngas

Mass transfer

Bioprocess

Modelling

Fossil fuels

Résumé

Les objectifs de réduction des énergies fossiles, d'émissions de gaz à effet de serre et de gestion de volumes croissants de déchets peuvent être atteints grâce à l'implémentation de la gazéification. Cette technologie permet de générer du gaz de synthèse (syngaz) dont le contenu en CO, CO2 et H2 peut être converti en méthane, un vecteur énergétique pour lequel les infrastructures de stockage et de transport en France et en Europe sont largement développées. La biométhanation est un procédé reposant sur l'action de microorganismes capables de convertir le syngaz en méthane. Toutefois, ce procédé fait face à plusieurs verrous scientifiques et technologiques, notamment la limitation par le transfert de matière gaz-liquide et l'inhibition provoquée par le CO et les impuretés du gaz de synthèse. Afin de déployer le procédé à l'échelle industrielle, un effort de modélisation doit être entrepris pour développer des outils de dimensionnement et de pilotage capables de décrire les cinétiques biologiques et les effets inhibiteurs du CO et des impuretés. La biométhanation du syngaz en culture mixte est plus efficace en régime thermophile qu'en régime mésophile et met en jeu deux réactions biologiques : la méthanogenèse hydrogénotrophe (MH) et la réaction carboxydotrophe hydrogénogène (RCH). Si les paramètres cinétiques de ces réactions biologiques ont été étudiées pour des cultures pures, elles restent peu documentées en culture mixte. De plus, la limitation par le transfert rend difficile l'identification de ces paramètres, car les vitesses mesurées sont impactées par celle du transfert de matière. Dans le cas de la RCH, les paramètres d'inhibition par le CO n'ont, à ce jour, pas été déterminés en culture mixte. L'objectif de cette thèse est donc de développer une méthodologie permettant de déterminer les paramètres cinétiques de ces réactions en culture mixte thermophile. A cette fin, des réacteurs fermés pressurisés ont été mis en œuvre pour fonctionner à pression élevée, permettant de s'affranchir d'un transfert de matière limitant et de pouvoir mesurer les variables expérimentales caractérisant les cinétiques réactionnelles. En parallèle, un modèle numérique intégrant les équilibres chimiques, le transfert de matière et les réactions biologiques a été développé. Un algorithme de calage basé sur la méthode des moindres carrés a été utilisé pour identifier les paramètres cinétiques du modèle avec un ajustement sur les données expérimentales. Concernant la MH, l'approche expérimentale a d'abord permis de s'affranchir de la limitation par le transfert de matière. Cela a garanti l'identification des paramètres cinétiques de cette réaction biologique. La méthodologie de calage du modèle a été validée et appliquée à 19 essais expérimentaux, conduisant à l'estimation robuste des paramètres cinétiques. Cela ouvre la voie à l'étude de l'effet des impuretés sur la MH en culture mixte thermophile. En revanche, pour la RCH, les travaux réalisés ont montré la difficulté de définir des conditions opératoires permettant d'éviter simultanément une inhibition complète par le CO et une limitation par le transfert de matière gaz-liquide. Bien qu'une zone opératoire optimale ait été identifiée, les essais menés dans ces conditions n'ont pas été répétables et la méthode de calage a montré quelques limites. Quelques pistes d'amélioration sont proposées pour faire évoluer le modèle et la méthodologie de calage.

The objectives of reducing fossil fuel consumption, greenhouse gas emissions, and managing growing volumes of waste can be achieved through the implementation of gasification. This technology generates synthesis gas (syngas) whose CO, CO2, and H2 content can be converted into methane, an energy carrier for which storage and transport infrastructure is well developed in France and Europe. Biomethanation is a process based on the action of microorganisms capable of converting syngas into methane. However, this process faces several scientific and technological obstacles, including limitations due to gas-liquid mass transfer and inhibition caused by CO and impurities in the syngas. In order to deploy the process on an industrial scale, modeling efforts must be undertaken to develop sizing and control tools capable of describing biological kinetics and the inhibitory effects of CO and impurities. Biomethanation of syngas in mixed cultures is more efficient in thermophilic conditions than in mesophilic conditions and involves two biological reactions: hydrogenotrophic methanogenesis (HM) and biological water-gas shift (WGS). While the kinetic parameters of these biological reactions have been studied for pure cultures, they remain poorly documented in mixed cultures. Furthermore, the mass transfer limitation makes it difficult to identify these parameters, as the measured rates are affected by mass transfer rate. In the case of WGS, the parameters of CO inhibition have not yet been determined in mixed culture. Therefore, the objective of this thesis is to develop a methodology to determine the kinetic parameters of these reactions in thermophilic mixed cultures. Consequently, pressurized batch reactors were used to operate at high pressure, eliminating mass transfer limitations and enabling the measurement of experimental variables characterizing reaction kinetics. At the same time, a numerical model integrating chemical equilibria, mass transfer, and biological reactions was developed. A calibration algorithm based on the least squares method was used to identify the kinetic parameters of the model by adjusting it to the experimental data. With regard to HM, the experimental approach first removed the limitation imposed by mass transfer. This ensured the identification of the kinetic parameters of this biological reaction. The model calibration methodology was validated and applied to 19 experimental tests, leading to a robust estimation of the kinetic parameters. This paves the way for studying the effect of impurities on HM in thermophilic mixed cultures. However, for WGS, the study highlighted the difficulty of defining operating conditions that simultaneously prevent complete inhibition by CO and limitation by gas-liquid mass transfer. Although an optimal operating zone has been identified, the tests conducted under these conditions were not repeatable and the calibration method revealed some limitations. A few suggestions for improvement have been proposed to develop the model and calibration methodology.