Les acides gras volatils

De Wiki Auréa

Certes la méthanisation est un procédé naturel de dégradation de la matière organique en milieu anaérobie, par digestion sous l’action de plusieurs types de microorganismes. Mais naturel ne signifie pas que tout contrôle est superflu ! Ce procédé fait intervenir une suite de réactions biologiques nécessitant une coopération entre différentes bactéries. Parfois des évènements viennent perturber le processus et ne permettent plus à l’activité bactérienne de se développer correctement. L’intoxication aux acides gras volatils (AGV), ou acidose, est l’un d’eux. Elle se traduit par une acidification (pH < 7) et par une accumulation des acides organiques, d’hydrogène et de CO2 dans le milieu réactionnel. L’accumulation d’AGV dans un digesteur traduit un dysfonctionnement de celui-ci, qui peut conduire à une dégradation de la qualité du biogaz et de sa production, voire à l’arrêt du réacteur. Intéressons nous aux AGV et aux informations que ces acides organiques peuvent apporter sur la santé d’un digesteur.


  • Acides, gras et volatils

Les AGV sont des acides gras à chaîne carbonée courte (moins de six atomes de carbone). Les quatre premiers acides gras sont dits volatils : acide acétique (CH3-COOH), acide propionique (CH3-CH2-COOH), acide butyrique (CH3-CH2-CH2-COOH), acide valérianique (CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH). Dans le rumen des ruminants, les trois premiers représentent respectivement 60 %, 20 % et 15 % des acides gras volatils ingérés pour une alimentation classique à base de fourrages, mais les proportions varient fortement suivant la ration. Ils sont produits par la flore microbienne de la panse des ruminants et de façon générale dans les premières étapes de la dégradation anaérobie de la matière organique, notamment dans les digesteurs industriels où ils sont considérés comme les intermédiaires les plus importants de la digestion anaérobie. Ils sont produits lors de l’acidogénèse, l’une des phases de la méthanogénèse, pour être convertis directement ou indirectement en méthane.


  • La méthanogénèse fabrique des AGV

Les AGV sont des intermédiaires réactionnels produits lors de la conversion de la matière organique en méthane. Ils sont le résultat de l’activité de populations bactériennes hydrolytiques et fermentatives, appartenant principalement aux genres Clostridium, Bacillus, Ruminococcus, Enterobacteroïdes, Propionibacterium et Butivibrio. L’apparition des AGV se situe lors d’une phase appelée acidogénèse. Une fois produits, ces AGV servent de substrat à une autre population de bactéries, appelées acétogènes car elles consomment les AGV les plus longs (propionate et butyrate essentiellement) et les transforment en acétate. Les bactéries acétogènes appartiennent à trois groupes : les homoacétogènes (dont des Clostridium, Acetobacterium, Sporomusa, Acetogenium, Acetoanaerobicum, Pelobacter Butyribacterium, Eubacterium), les syntrophes (Syntrophobacter, Syntrophomonas, Syntrophus) et les sulfato-réducteurs (Desulfovibrio, Desulfobacter, Desulfotomaculum, Desulfomonas). L’acétate est enfin utilisé à son tour par un troisième groupe de bactéries : les méthanogènes, du groupe des Archae, strictement anaérobies.

La Figure 1 présente la succession de ces voies métaboliques, selon le modèle aujourd’hui le plus répandu.

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Lorsque le fonctionnement des réacteurs est optimisé, l’activité de ces populations est équilibrée et les AGV produits pendant l’acidogénèse sont consommés par les bactéries acétogènes.

Il est donc normal d’avoir des AGV dans le milieu réactionnel, mais toute accumulation va traduire un déséquilibre des voies métaboliques, une sorte d’indigestion, lors de laquelle les bactéries acétogènes n’arrivent plus à utiliser les AGV produits lors de l’acidogénèse.


ZOOM SUR :

Les causes possibles d’une accumulation des AGV et à l’utilisation des résultats d’analyses pour reconnaître les signes annonciateurs d’une acidose.


  • Une question d’équilibre
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Les réacteurs mettent en œuvre différentes populations microbiennes, associées et interdépendantes, qui forment un écosystème fragile. Au début de la chaine alimentaire de cette biologie se trouvent les substrats organiques qui vont entrer dans le digesteur. A l’image des éleveurs, les exploitants d’installation de méthanisation utilisent le terme de « ration » pour ces matières destinées à être digérées dans les réacteurs. Lorsqu’un digesteur est stabilisé et a atteint son régime nominal, l’activité des populations bactériennes est équilibrée : les AGV produits pendant la phase d’acidogénèse sont consommés par les bactéries acétogènes et méthanogènes.


L’accumulation d’AGV dans le milieu réactionnel peut donc avoir deux grandes causes :


Une augmentation brutale de la production d’AGV par la voie de l’acidogénèse, que les bactéries acétogènes et méthanogènes ne parviennent pas à digérer : acidogénèse > acétogénèse


Un ralentissement de la dégradation des AGV par les bactéries acétogènes et méthanogènes, qui induit une accumulation du substrat de ces bactéries : acétogénèse < acidogénèse


Dans le premier cas, l’acidose est liée à une trop grande quantité de matières fermentescibles introduites dans le digesteur. L’accumulation d’AGV peut ainsi être observée suite à l’introduction de substrats riches en glucides et/ou lipides, rapidement hydrolysables par les bactéries hydrolytiques et acidogènes, ou à un taux de charge(1) trop élevé. Les bactéries ont une certaine capacité d’adaptation mais elles s’accommodent mal des changements brusques.

Dans le second cas, l’inhibition des bactéries acétogènes peut être expliquée par la présence de substances toxiques pour ces populations. Les plus fréquentes sont :

le sulfure d’hydrogène (H2S) issu de la dégradation des acides aminés contenant du soufre, comme la méthionine ou la cystéine, présents par exemple dans les crucifères

certains éléments présents en trace, comme le cuivre, le zinc, le chrome ou le plomb

les antibiotiques et désinfectants présents dans les substrats, en lien avec les médicaments administrés aux animaux, dans les produits de nettoyage des salles de traite, etc

les fortes concentrations en sels minéraux, qui vont augmenter la conductivité du milieu

(l’oxygène).

Le tableau 1 présente des exemples de concentrations inhibitrices pour différents éléments.

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A l’inverse, quelques cas de carence à l’origine d’une inhibition de la flore méthanogène ont été référencés : carence en cobalt ou en nickel, directe ou induite par une précipitation de ces éléments avec des sulfures dissous.


  • Repérer les signes annonciateurs de l’acidose

La baisse du pH (pH < 7) est un signe d’acidose évident. Elle s’accompagne de la chute de production et de qualité du biogaz. Toutefois ces indicateurs ne font que révéler le dysfonctionnement, et ne permettent pas de le repérer précocement. Le suivi des AGV (dont l’accumulation va entrainer la baisse de pH), comme la mesure du pouvoir tampon ou de la pression partielle en hydrogène, permettent de détecter plus tôt un éventuel déséquilibre. Il semble admis que tout risque d’acidose est écarté pour des concentrations en AGV totaux inférieures à 2 g/L, des valeurs inférieures à 5 g/l étant encore acceptables. Cependant, chaque digesteur a ses propres valeurs de consigne et il n’est pas possible de définir une valeur maximale stricte à partir de laquelle la concentration en AGV totaux deviendrait dangereuse.

La modification du profil des AGV est un meilleur indicateur. En effet, lorsque l’acétogénèse est inhibée, les AGV de taille supérieure à l’acétate (C2) s’accumulent, à commencer par l’acide propionique (C3). La modification de la proportion des AGV dans le milieu, en particulier l’augmentation des proportions d’acides propioniques, butyriques et valériques par rapport à l’acide acétique, doit alerter car elle est le signe d’un début d’acidose. Lorsque le rapport « acide acétique / acide propionique » est supérieur à 3, ce risque est écarté. Les AGV totaux et les profils d’AGV peuvent être dosés au laboratoire par chromatographie en phase gazeuse ou en HPLC. La mesure indirecte des AGV totaux par capteurs est aussi possible au niveau des digesteurs, soit par titrimétrie, soit par spectrométrie infra-rouge.


  • Moyens d’action

Dans le cas d’une accumulation liée à un excès de matières fermentescibles, la première réaction doit être d’arrêter l’alimentation du digesteur. Les bactéries acétogènes et méthanogènes vont consommer les AGV présents et en faire diminuer la concentration totale. Il conviendra aussi de revoir la ration pour éviter un nouveau dysfonctionnement. Quand la cause de l’acidose est une inhibition ou une intoxication des bactéries acétogènes et méthanogènes, la solution passe par l’identification du substrat responsable afin d’en réduire la proportion dans la ration, voire l’exclure totalement. L’analyse préalable des matières entrantes est de ce fait recommandée, notamment lorsqu’il y a un changement dans leur nature ou leur origine. Dans tous les cas, lorsque le milieu s’acidifie, l’ajout d’hydrogénocarbonate de sodium (NaHCO3), voire de chaux ou de carbonate de calcium (CaCO3), peut être envisagé de façon curative. Il permet d’augmenter le pH (avec un objectif de l’ordre de 7,8 en général) et le pouvoir tampon des digestats.

La production d’AGV est la conséquence et non la cause de la déstabilisation des digesteurs. Le suivi de leur concentration fait partie des moyens de suivi des processus. Le laboratoire aurea (adhérent duClub Biogaz de l’ATEE) propose la détermination des profils d’AGV, mais aussi la mesure du FOS-TAC, pour suivre vos digesteurs ainsi que les analyses complètes de caractérisation des matières entrantes. N’hésitez pas à nous contacter !

(1) Taux de charge : quantité quotidienne de matières organiques introduites dans le réacteur. Il peut être exprimé par unité de volume (kg MO/m3.j, kg DCO/m3.j ; on parle alors de charge volumique appliquée ou CVA) ou par unité de biomasse présente dans le digesteur (kg DCO/kg MVS.j ; on parle alors de charge massique appliquée ou CMA). MO : Matière Organique , DCO : Demande Chimique en Oxygène, MV : Matière Volatile