WO2020070111A1 - Méthode de détection précoce d'un dysfonctionnement dans un dispositif digesteur - Google Patents

Méthode de détection précoce d'un dysfonctionnement dans un dispositif digesteur

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WO2020070111A1
WO2020070111A1 PCT/EP2019/076557 EP2019076557W WO2020070111A1 WO 2020070111 A1 WO2020070111 A1 WO 2020070111A1 EP 2019076557 W EP2019076557 W EP 2019076557W WO 2020070111 A1 WO2020070111 A1 WO 2020070111A1
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WO
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gas production
kinetics
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digester
digesting
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Application number
PCT/EP2019/076557
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Fabrice BELINE
Lorraine AWHANGBO
Jean-Michel Roger
Ryad BENDOULA
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Institut National de Recherche en Sciences et Technologies pour Lenvironnement et lAgriculture IRSTEA
Original Assignee
Institut National de Recherche en Sciences et Technologies pour Lenvironnement et lAgriculture IRSTEA
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/48—Automatic or computerized control
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present invention belongs to the field of piloting anaerobic digestion processes. More particularly, the present invention relates to a method for the early detection of a dysfunction in a digesting device.
  • Biogas from anaerobic digestion is advantageous because it makes it possible to recover a wide variety of organic waste.
  • Biogas from anaerobic digestion is a gas rich in methane (50 to 70%) and carbon dioxide (20 to 50%). It can for example be used to supply natural gas networks or produce biofuels or electricity by combustion. Biogas production is particularly suitable for farms, which have to deal with a large amount of waste in the form of organic matter.
  • biogas of agricultural origin should represent around a third of gross resources in France by 2050, subject to the widespread adoption of methanation by agricultural holdings (Pouech et al. 2017; ADEME 2017) .
  • Methanization is a process of natural degradation of organic matter by the action of complex microbial populations. It includes four stages: - hydrolysis, during which hydrolytic bacteria will transform the non-degraded organic matter (proteins, polysaccharides, lipids) into simple organic matter; - acidogenesis, carried out by acidogenic bacteria, makes it possible to obtain volatile fatty acids and alcohols; - acetogenesis during which the bacteria known as acetogens will allow the production of H2, CO2, and acetate (CH3, COOH); - finally, methanogenesis implements two ways to produce methane: the hydrogenophilic route on the one hand, in which H2 and CO2 will be used by the hydrogenotrophic methanogenic bacteria, and the acetotrophic route on the other hand, where acetate is decarboxylated by methanogenic acetoclast bacteria. Under normal operation, it is considered that the acetotrophic pathway represents approximately 70% of the production of CH4, and the hydrogenophilic pathway approximately 30%.
  • Measured variables include physical, chemical, biochemical and biological parameters such as, for example, the amount of biogas produced, its quality (proportions of methane and carbon dioxide), pH, temperature, quality of inputs and outputs treated, the content of volatile fatty acids in the fermentation medium, the percentage of hydrogen in the biogas produced.
  • the detection of a malfunction occurs late.
  • the dysfunction observed is preceded by an increase in the production of biogas which does not allow the dysfunction to be identified. It is therefore more difficult to restore normal operation in the device compared to earlier detection.
  • late detection results in a greater loss of gas production than in the case of early detection.
  • the present invention responds to this need, by providing a simple solution for improving the quality of control of the methanation process by making it possible to early detect a dysfunction in a digesting device.
  • a first object according to the invention is a method for detecting a dysfunction in a digesting device comprising the steps: measuring a gas production value in said digesting device at at least two distinct instants included in the time interval elapsing between two successive loads of material in said digesting device, then calculating a value representative of the kinetics of gas production in said digesting device between said two successive loads of material in said digesting device, then - determine the operating state of said digester device.
  • the gas production value is a value of the instantaneous flow rate at the outlet of said digester device.
  • the representative value of the gas production kinetics is calculated using a multivariate analysis.
  • the representative value of the gas production kinetics is calculated using a principal component analysis.
  • the value representative of the kinetics of gas production is a score.
  • the step of determining the operating state of said digester device comprises comparing said value representative of the kinetics of gas production with a reference value.
  • the gas comprises methane and carbon dioxide.
  • biogas is a gas comprising methane and carbon dioxide.
  • the material loaded into a digesting device is a fermentable material, preferably a material comprising organic material.
  • a second object according to the invention relates to a computer program product comprising code instructions for the execution of a method according to the first object of the invention when it is executed by a computer.
  • a third object according to the invention relates to a system comprising: - means for measuring gas production rate values in a digester, a device for implementing the method for detecting a malfunction in a digestion device according to the first object of the invention, said device being adapted to execute said method comprising the steps: i) measuring a gas production value in said digesting device at least two distinct instants included in the time interval elapsing between two successive loads of material in said digesting device, then ii) calculating a value representative of the kinetics of gas production in said digesting device between said two successive loads of material in said digesting device, then iii) determine the operating state of said digesting device, - a means of visual or audio information on the operating state of said digester device.
  • Figure 2 evolution of the representative value of the gas production kinetics (solid line) compared to the measurement of the total gas production (dotted line) in the digester between two successive loads of material in the device.
  • the expression “operating state” defines the quality of the methanization process in the digestion device. For example, in the absence of a malfunction, the operating state will be qualified as satisfactory or good. On the other hand, the operating state will be considered as unsatisfactory or bad in the presence of a malfunction as defined below.
  • the expression “determining the operating state” which relates to the digesting device includes the detection of a malfunction in said digesting device.
  • the term “dysfunction” designates a modification of one or more biological, chemical and / or physical parameters which leads to a reduction in the productivity of the fermenting device.
  • a dysfunction can be caused by too high a concentration of NH3, the presence of antibiotics, during an organic overload, or during an accumulation of long chain fatty acid linked to an excessive addition of lipids which leads a reduction in the productivity of the fermenting device.
  • biological state describe the ability of the bacterial populations present in the digestive system to produce gas, in particular methane. This biological state can take into account the nature of the fermentable material introduced into the digesting device.
  • the terms "digesting device” are used to designate the device into which the organic material is introduced for the purpose of its fermentation.
  • it designates the devices known in the field of fermentation under the names fermenters, methanizers or reactors.
  • it is a tank in which fermentation occurs, which is capable of containing organic matter, bacteria, and any gas resulting from the degradation of organic matter.
  • Several digesters can be linked together.
  • the digester device is advantageously connected to a tank for storing the gas produced.
  • gas refers to any gas produced in the fermenting device, and may be used, unless expressly stated otherwise, to denote, methane, carbon dioxide, or any other gas resulting from the fermentation of organic matter by anaerobic digestion, or any mixture of these, in particular the set of gases commonly designated by the term "biogas”.
  • the term “matter” is used to designate organic matter or fermentable matter, possibly contaminated with other non-organic matter, which is intended to be degraded in the digestive system by microbial populations, for the production of gas.
  • the term “material” used to designate the material loaded into the digesting device is material comprising organic material.
  • the inventors have highlighted a new method for detecting a malfunction in a digesting device. More particularly, the detection method is based on a value representative of the kinetics of gas production in a digester device between two successive loads of material in said digester device.
  • the method according to the invention can be implemented regardless of the methanisation technology used, such as for example the dry process, the wet process, the infinitely mixed process, or methanisation in a fixed bed reactor.
  • the anaerobic digestion process involves a succession of cycles, which begin with the addition of fermentable material, and which end with the following addition of material.
  • the cycle ends after the bacterial populations have finished following each other to degrade the material and have exhausted it. It is preferable not to wait until the substrate is completely exhausted before reloading material in the digester, in order to maintain acceptable production levels.
  • care must be taken not to bring too large a quantity of material inside the device, since an overload of organic matter also has deleterious effects on the methanisation process.
  • gas production rates will be reduced, but this reduction can be observed well after the occurrence of the malfunction.
  • the replacement of one microbial population by another which will cause a change in the metabolic pathways used for the degradation of matter, may have occurred gradually, in particular as the nature of the material changes. substrate to be degraded in the digester, so that the impact on gas production will not be visible until several days after this replacement. This is harmful because it is easier to correct malfunctions when they are detected early. Later detection leads to a greater loss of productivity in the digestive system.
  • a dysfunction can be a change in the operating state of the digestive system.
  • a dysfunction can be of a physical, chemical, biochemical and / or biological nature.
  • Dysfunction can be caused by excessively high NH 3 concentrations, the presence of antibiotics, during an organic overload, or during an accumulation of long chain fatty acid, especially in the case of excessive addition of lipids.
  • the production of methane is reduced while the volatile fatty acids accumulate, which will amplify the inhibition of the production of methane until causing an acidification of the medium. This acidification can lead to the production of foam which is difficult to control in the reactor.
  • Gas production can be measured by different methods. It quantifies the amount of gas produced in the digestive system.
  • the production rate quantifies the quantity of gas produced in the digester relative to the useful volume of said digester device.
  • the amount of gas produced (gas production) can be estimated from the instantaneous gas flow measurements by methods known to those skilled in the art.
  • gas production and the rate of gas production can be estimated by measuring the instantaneous gas flow, for example at the outlet of the digester. This is particularly relevant in the case of digesters whose volume is fixed, for which the quantities of gas leaving the device are directly correlated to the quantities of gas produced inside the device, at constant pressure and temperatures.
  • the instantaneous flow of gas at the outlet of the digester device is measured so as to be able to reconstruct the kinetics of gas production in the device.
  • the instantaneous flow of gas at the outlet of a digesting device is a gas production value in said digesting device in the case of digesting devices whose volume, temperature and pressure are generally constant.
  • another measurement is recorded simultaneously, so as to have a more precise estimate of the production of gas in a digesting device.
  • the temperature and / or volume and / or pressure can be recorded simultaneously inside the digester.
  • the instantaneous flow of gas at the outlet of a digesting device is a gas production value in said digesting device after a mathematical correction taking into account the temperature, and / or the pressure, and / or the volume at inside said digesting device, in the case of digesting devices whose volume and / or temperature and / or pressure are variable.
  • a gas production value in a digester is measured at least two distinct moments during a cycle, that is to say in the time interval which separates two loads of material. successive in said device.
  • Those skilled in the art will be able to adapt the number of measurements and their frequencies so as to obtain the kinetics of gas production in the digester.
  • measurements are only carried out at certain particular moments in the cycle.
  • the frequency of the measurements will be variable during a cycle.
  • the measurements are carried out automatically.
  • the flow rate of gas leaving the digesting device is measured at least 5, preferably at least 10, preferably at least 20 distinct moments in the time interval which separates two successive loadings of material in said device. More preferably, the gas flow rate is measured 24 times between two successive material loads in said device. More preferably, the measurement of the gas flow rate at the outlet from the digester is carried out approximately every second, approximately every thirty seconds, approximately every minute, approximately every minute and a half, approximately every two minutes, approximately every five minutes, approximately every ten minutes, approximately every thirty minutes, or approximately every hour. Preferably, the measurement of the gas flow rate at the outlet of the digester device is carried out approximately every minute.
  • the gas flow values measured at the outlet of a digester device are used to calculate gas production values corresponding to a defined time step.
  • the measured data are first used to calculate by interpolation of the values according to a defined time step.
  • the interpolation is a linear interpolation.
  • the values are calculated from the weighted average between two successive measurements of the gas flow, the weighting taking into account the time which separates said measurements. Other methods known to a person skilled in the art may be used to obtain flow values at desired times from measured values.
  • the time step used to calculate gas production values in a digester, in particular by interpolation of the measured values is approximately one minute.
  • the time step is approximately 2, 5, 6, 12, 18, 20, 25, 30, 45, 60, 90, 120, 240 or 300 minutes.
  • the time step is between approximately 0.0005 and 0.005 days, preferably approximately 0.001 days. Even more preferably, the time step is about a minute and a half.
  • the interpolation is carried out so as to obtain approximately 100, approximately 200, approximately 300, approximately 400, approximately 500, approximately 600, approximately 700, approximately 800, approximately 900, preferably approximately 1000 production values of gas between two successive loads of material in the digester.
  • the skilled person will be able to adapt the time step according to his needs, in particular according to the number of interpolated values desired.
  • the multivariate analysis used to calculate a representative value of the gas production kinetics is a principal component analysis (“PCA”): the gas production kinetics are used to construct a matrix of a number of rows equal to the number of cycles ("individuals"), each column of the matrix corresponding to an individual value of gas production during the different cycles ("variables").
  • PCA principal component analysis
  • the kinetics are possibly reconstructed by interpolation of the gas production values measured so as to obtain the same number of values in each of the kinetics. It is then necessary to ensure that the beginnings of each cycle (first value of each of the kinetics) are aligned with each other.
  • An optional step is to normalize the data contained in the matrix before building the PCA.
  • the kinetics of gas production obtained during normal operation of the digester device can be used to build a "calibration" PCA.
  • the representative values of the gas production kinetics can then be calculated from the coordinates of the individuals on at least one of the main axes, preferably on the first main axis, preferably by direct reading of the value of the coordinate of the individual on the first main axis.
  • the value representative of the kinetics of gas production is calculated from the coordinates of said kinetics on the first two main axes.
  • the values representative of the kinetics of gas production obtained with the construction of the calibration PCR may be used as reference values.
  • the value representative of the kinetics of gas production is a score which corresponds to the main first-level component which corresponds to the value measured on the abscissa of said kinetics in the PCA benchmark. A malfunction can thus be detected early, for example when a value representative of a just acquired cycle deviates significantly from the reference value or from all the reference values.
  • a so-called sliding PCA is constructed from the kinetics preceding said cycle, in order to estimate a reference value or a set of reference values, and the kinetics of said given cycle is used as an additional individual to obtain a representative value for that cycle.
  • a malfunction can thus be detected early, for example when a value representative of said given cycle deviates significantly from the reference value or from the set of reference values calculated from all of the preceding cycles. said given cycle.
  • time series analysis methods known to those skilled in the art can be used to assign a value representative of the gas production kinetics to each particular kinetic, and particularly in the form of a score.
  • the value representative of the gas production kinetics in the digester device makes it possible to determine the operating state of said device. In particular, it makes it possible to detect a dysfunction at an early stage.
  • the reading only of the value makes it possible to detect a malfunction in the digesting device.
  • a value representative of the kinetics of gas production can indicate a malfunction when it is negative.
  • the value representative of the kinetics of gas production in the digester device is compared with a reference value.
  • This reference value can be obtained from at least one value representative of the gas production kinetics obtained during at least one previous cycle.
  • the at least one cycle is chosen according to the knowledge of the good biological state and the absence of dysfunction.
  • the representative value of the gas production kinetics is obtained by calculating the average of several values representative of the gas production kinetics obtained for previous cycles.
  • the value representative of the production kinetics will indicate a malfunction when it is distant from the reference value by at least about 5% of the reference value. Preferably, it is at least about 10%, about 15%, about 20% or about 25% away from the reference value. Even more preferably, the representative value of the production kinetics will indicate a malfunction when it is distant from the reference value by at least about 50% of the reference value.
  • a second object according to the invention relates to a computer program product comprising code instructions for the execution of a method according to the first aspect of the invention.
  • a third object according to the invention relates to a system comprising at least: - a means of measuring gas production in a digester, a device for implementing the method for detecting a malfunction in a digesting device, which is suitable for carrying out said method comprising the steps: i) measuring a gas production value in said digesting device at least two distinct instants included in the time interval elapsing between two successive loads of material in said digesting device, then ii) calculating a value representative of the kinetics of gas production in said digesting device between said two successive loads of material in said digesting device, then iii) determine the operating state of said digesting device, - at least one means of visual or audio information on the operating state of said digester device.
  • the at least one means of measuring a gas production is a flow meter.
  • said flow meter is positioned at the outlet of the digester device.
  • the device for implementing the method for detecting a dysfunction in a digestion device adapted to execute said method comprising the steps i), ii) and iii) listed above comprises a computer program according to the second object of the invention.
  • the at least one means of visual or sound information is chosen from a light means such as a light-emitting diode, a means of displaying information such as a digital screen, and a transducer electroacoustics such as a speaker.
  • An automated digester comprising an infinitely mixed CSTR (continuous stirred-tank reactor) of 50 L PVC, 35.5 L of useful volume of which has been built and implemented.
  • CSTR continuous stirred-tank reactor
  • the choice of a CSTR type reactor was made because, for this type of substrate and digestion (wet), it is the most widespread process around the world.
  • the temperature in the digester was regulated using a thermostat-regulator that circulated hot water through the double wall of the digester.
  • a temperature probe was placed in the digester device and associated with this thermostat-regulator allows temperature regulation within the digester device.
  • the contents of the digester were continuously homogenized using a paddle stirrer.
  • the mixture of substrates feeding the digester was stored at about 4 ° C in a refrigerator containing a feed hopper with a maximum capacity of 50 liters. This feed hopper was equipped with a peristaltic pump allowing the feed substrate to be recirculated within this hopper before each feed to ensure homogeneity.
  • the digester device was equipped with a gas outlet equipped with a bucket meter linked to the acquisition program (approximately 38 mL of gas per tilt) allowing the measurement and recording of the instantaneous gas flow and the accumulated volume gas.
  • This gas circuit is also equipped with a sampling point for sampling and occasional analyzes of the quality of biogas.
  • Pig manure was chosen as the basic substrate for all the experiments in order to guarantee good digestion conditions in the liquid way. In fact, this substrate provides the necessary supplies of water, alkalinity and nutrients.
  • a synthetic manure was reconstituted from a centrifugal manure and an addition of 20 grams per liter of horse feed. The centrifuged slurry was collected and stored at 4 ° C before starting the reactor. The same centrifuged slurry and the same horse feed were used for all of the experiments.
  • the apples were chosen as a substrate because of their high content of soluble, easily biodegradable carbohydrates.
  • the high biodegradable carbohydrate contents of this substrate and its low nitrogen content should lead to immobilization of ammoniacal nitrogen during digestion.
  • the characterizations of the substrates and the associated models have also shown that the substrates rich in lipids present a high potential for methane production and also allow nitrogen to be immobilized.
  • a substrate rich in lipids was used during these experiments in order to observe better production of methane and a higher nitrogen immobilization potential during digestion.
  • butter was chosen.
  • the digestion system was inoculated with the digestate of another digestion system in operation for several years, to provide the biomass necessary to start anaerobic digestion. Agitation of 60 rpm at a temperature of 38 ° C was applied.
  • the feed hopper was filled at the start of each experiment with approximately 35 liters of substrate mixture. To maintain a constant level of substrate in the feed hopper, it was filled once a week with an amount of substrate equivalent to the weekly feed of the digestive system (about 15 liters per week).
  • the mixture used during this experiment consisted of centrifuged slurry, horse feed (20g.L-1), crushed apples (270 g.L-1) and butter (20 g.L-1).
  • the instant biogas flow is measured and recorded every minute for 35 days.
  • FIG. 1 shows the evolution of the instantaneous flow of biogas in the digester over time, for days D10 (series 1, panel A, solid black line), D17 (series 2, panel A, solid gray line), J23 (series 3, dashed), J25 (series 4, panel B, solid black line) and J27 (series 5, panel B, solid gray line).
  • panel A shows series 1, 2 and 3
  • panel B represents series 3, 4 and 5.
  • Panel A in FIG. 1 shows the kinetics of gas production between two successive loadings of material in the digester device characterized by a rapid decrease in production rates from around 10 to around 4 NL / d, then a plateau with values between 3 and 4 NL / d, followed by a rapid decrease occurring between 10 a.m. and 3 p.m., to values generally below 2 NL / d and a new measurement plateau located approximately between 1 and 2 NL / j, or even less.
  • Panel B in Figure 1 shows the curve for series 3 to simplify the comparison with the following series.
  • the evolution of the production rates of series 4 and 5 is different from that observed for series 1 to 3, in particular in that the decrease measured in the first hours is more marked, with values measured mainly between 2 and 3 NL / j, followed by a plateau corresponding to these values, followed by a slight decrease around 3 p.m. to values essentially between 1 and 2 NL / d.
  • a first step consisted in repositioning the curve of the kinetics of biogas production on a number of fixed times separated by regular time intervals, here one hour.
  • the time between two loadings being in this example 24 hours, 24 hourly values of instantaneous gas flow were calculated by interpolation of the measured values.
  • day D21 due to a hardware failure, it was not possible to establish the curve of the kinetics of biogas production.

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Abstract

La présente invention concerne une méthode de détection d'un dysfonctionnement dans un dispositif digesteur comprenant les étapes : lire une valeur de production de gaz dans ledit dispositif digesteur à au moins deux instants distincts compris dans l'intervalle de temps s'écoulant entre deux chargements successifs de matière dans ledit digesteur, puis calculer une valeur représentative de la cinétique de production de gaz dans ledit dispositif digesteur entre lesdits deux chargements successifs de matière dans ledit dispositif digesteur, puis déterminer l'état de fonctionnement dudit digesteur.

Description

Méthode de détection précoce d’un dysfonctionnement dans un dispositif digesteur Domaine technique
La présente invention appartient au domaine du pilotage des procédés de méthanisation. Plus particulièrement, la présente invention concerne une méthode de détection précoce d’un dysfonctionnement dans un dispositif digesteur.
Technique antérieure
Les problématiques environnementales actuelles rendent de plus en plus urgente l’optimisation de la manière dont l’énergie est produite, stockée et utilisée. Les efforts fournis en ce sens s’orientent plus particulièrement en direction des énergies renouvelables. Parmi elles, le biogaz issu de la méthanisation est avantageux car il permet de valoriser une grande variété de déchets organiques. Le biogaz issu de la méthanisation est un gaz riche en méthane (de 50 à 70%) et en dioxyde de carbone (20 à 50%). Il peut par exemple être utilisé pour alimenter les réseaux de gaz naturels ou produire des biocarburants ou de l’électricité par combustion. La production de biogaz est particulièrement adaptée aux exploitations agricoles, qui ont à traiter une grande quantité de déchets sous forme de matière organique. Selon certains scénarios, le biogaz d’origine agricole devrait représenter environ un tiers des ressources brutes en France à l’horizon 2050, sous réserve de l’adoption généralisée de la méthanisation par les exploitations agricoles (Pouech et al. 2017 ; ADEME 2017).
La méthanisation, ou digestion anaérobie, est un procédé de dégradation naturel de la matière organique par l’action de populations microbiennes complexes. Elle comprend quatre étapes :
- l’hydrolyse, au cours de laquelle des bactéries hydrolytiques vont transformer la matière organique non-dégradée (protéines, polysaccharides, lipides) en matière organique simple ;
- l’acidogénèse, réalisée par les bactéries acidogènes, permet l’obtention d’acides gras volatiles et d’alcools ;
- l’acétogénèse au cours de laquelle les bactéries dites acétogènes vont permettre la production de H2, de CO2, et d’acétate (CH3, COOH) ;
- enfin, la méthanogénèse met en œuvre deux voies pour produire du méthane : la voie hydrogénophile d’une part, dans laquelle H2 et CO2 seront utilisés par les bactéries méthanogènes hydrogénotrophes, et la voie acétotrophe d’autre part, où l’acétate est décarboxylé par les bactéries méthanogènes acétoclastes. Dans le cadre d’un fonctionnement normal, il est considéré que la voie acétotrophe représente environ 70% de la production de CH4, et la voie hydrogénophile environ 30%.
Parmi les freins à la mise en œuvre des procédés de méthanisation, l’un tient à la complexité du pilotage du procédé de méthanisation, notamment la difficulté à détecter les déséquilibres, physiques (par exemple, température, pH), chimiques (par exemple, la concentration en NH3 ou en acides gras volatils, présence d’antibiotiques) ou biologiques, à l’origine de dysfonctionnements dans les dispositifs digesteurs, et ce notamment de façon précoce.
Il existe des procédés de contrôle de l’état de la fermentation méthanique, comme ceux illustrés dans le brevet FR2687166. Ces procédés de contrôle mettent en œuvre des modèles mathématiques qui nécessitent la prise en compte un grand nombre de variables mesurées dans le dispositif digesteur, ou à sa sortie. Les variables mesurées comprennent des paramètres physiques, chimiques, biochimiques et biologiques tels que, par exemple, la quantité de biogaz produit, sa qualité (proportions de méthane et de dioxyde de carbone), le pH, la température, la qualité des intrants et sortants traités, la teneur en acides gras volatils du milieu de fermentation, le pourcentage d’hydrogène du biogaz produit.
Cependant, ces méthodes connues de l’art antérieur ne sont pas satisfaisantes car elles nécessitent le suivi de plusieurs variables, au moins deux, et sont souvent lourdes à mettre en œuvre, par exemple lorsque des analyses en laboratoire sont requises.
Il existe des méthodes plus simples, comme par exemple le suivi de la production moyenne globale de gaz de façon journalière ou entre deux chargements de matière organique dans le dispositif digesteur.
Dans ce cas simple, cependant, la détection d’un dysfonctionnement survient tardivement. En particulier, lors d’évènements de surcharge organiques ou lipidiques, le dysfonctionnement observé (acidose) est précédé d’une augmentation de la production de biogaz qui ne permet pas d’identifier le dysfonctionnement. Il est alors plus difficile de rétablir un fonctionnement normal dans le dispositif par rapport à une détection plus précoce. De plus, la détection tardive occasionne une perte plus importante de la production de gaz que dans le cas d’une détection précoce.
Ainsi, il existe un besoin pour une méthode simple, permettant de détecter de façon précoce un dysfonctionnement dans un dispositif digesteur.
Exposé de l'invention
La présente invention répond à ce besoin, en apportant une solution simple d’amélioration de la qualité du pilotage du procédé de méthanisation en permettant de détecter de façon précoce un dysfonctionnement dans un dispositif digesteur.
En effet, un premier objet selon l’invention est une méthode de détection d’un dysfonctionnement dans un dispositif digesteur comprenant les étapes :
- mesurer une valeur de production de gaz dans ledit dispositif digesteur à au moins deux instants distincts compris dans l’intervalle de temps s’écoulant entre deux chargements successifs de matière dans ledit dispositif digesteur, puis
- calculer une valeur représentative de la cinétique de production de gaz dans ledit dispositif digesteur entre lesdits deux chargements successifs de matière dans ledit dispositif digesteur, puis
- déterminer l’état de fonctionnement dudit dispositif digesteur.
Selon un mode de réalisation, la valeur de production de gaz est une valeur du débit instantané à la sortie dudit dispositif digesteur.
Selon un mode de réalisation, la valeur représentative de la cinétique de production de gaz est calculée à l’aide d’une analyse multivariée.
Selon un mode de réalisation, la valeur représentative de la cinétique de production de gaz est calculée à l’aide d’une analyse en composantes principales.
Selon un mode de réalisation, la valeur représentative de la cinétique de production de gaz est un score.
Selon un mode de réalisation, l’étape de détermination de l’état de fonctionnement dudit dispositif digesteur comprend la comparaison de ladite valeur représentative de la cinétique de production de gaz avec une valeur de référence.
Selon un mode de réalisation, le gaz comprend du méthane et du dioxyde de carbone. Par exemple, le biogaz est un gaz comprenant du méthane et du dioxyde de carbone.
Selon un mode de réalisation, la matière chargée dans un dispositif digesteur est une matière fermentescible, de préférence une matière comprenant de la matière organique.
Un deuxième objet selon l’invention concerne un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code pour l’exécution d’une méthode selon le premier objet de l’invention lorsqu’il est exécuté par un ordinateur.
Un troisième objet selon l’invention concerne un système comprenant :
- des moyens de mesure de valeurs de taux de production de gaz dans un dispositif digesteur,
- un dispositif pour mettre en œuvre la méthode pour détecter un dysfonctionnement dans un dispositif digesteur selon le premier objet de l’invention, ledit dispositif étant adapté pour exécuter ladite méthode comprenant les étapes :
i) mesurer une valeur de production de gaz dans ledit dispositif digesteur à au moins deux instants distincts compris dans l’intervalle de temps s’écoulant entre deux chargements successifs de matière dans ledit dispositif digesteur, puis
ii) calculer une valeur représentative de la cinétique de production de gaz dans ledit dispositif digesteur entre lesdits deux chargements successifs de matière dans ledit dispositif digesteur, puis
iii) déterminer l’état de fonctionnement dudit dispositif digesteur,
- un moyen d’information visuel ou sonore sur l’état de fonctionnement dudit dispositif digesteur.
Description sommaire des dessins
Figure 1 : cinétiques de la production de gaz représentées par la mesure des débits de gaz instantanés en sortie d’un dispositif digesteur en fonction du temps. Chaque série correspond aux mesures effectuées entre deux chargements de matière dans le dispositif digesteur : le moment du chargement correspond à t=0 heure, la dernière mesure effectuée avant le chargement suivant correspond à t=24 heures. Les séries 1, 2, 3, 4 et 5 illustrent respectivement les mesures effectuées aux jours J10, J17, J23, J25 et J27.
Figure 2 : évolution de la valeur représentative de la cinétique de production de gaz (trait plein) comparativement à la mesure de la production totale de gaz (en pointillé) dans le dispositif digesteur entre deux chargements successifs de matière dans le dispositif.
Manière(s) de réaliser l'invention
Dans le contexte de l’invention, l’expression « état de fonctionnement » définit la qualité du procédé de méthanisation dans le dispositif digesteur. Par exemple, en absence de dysfonctionnement, l’état de fonctionnement sera qualifié de satisfaisant ou bon. En revanche, l’état de fonctionnement sera considéré comme insatisfaisant ou mauvais en présence d’un dysfonctionnement tel que définit ci-dessous. Ainsi, dans le contexte de l’invention, l’expression « déterminer l’état de fonctionnement » qui se rapporte au dispositif digesteur comprend la détection d’un dysfonctionnement dans ledit dispositif digesteur.
Dans le contexte de l’invention, le terme « dysfonctionnement » désigne une modification d’un ou de plusieurs paramètres biologiques, chimiques et/ou physiques qui conduit à une réduction de la productivité du dispositif fermenteur. Par exemple, un dysfonctionnement peut être causé par une concentration trop élevée en NH3, la présence d’antibiotique, lors d’une surcharge organique, ou lors d’une accumulation d’acide gras longue chaine liée à un ajout excessif de lipides qui conduit à une réduction de la productivité du dispositif fermenteur.
Dans le contexte de l’invention, les termes « état biologique » décrivent l’aptitude des populations bactériennes présentes dans le dispositif digesteur à produire du gaz, notamment du méthane. Cet état biologique peut tenir compte de la nature de la matière fermentescible introduite dans le dispositif digesteur.
Dans le contexte de l’invention, les termes « dispositif digesteur » sont utilisés pour désigner le dispositif dans lequel la matière organique est introduite en vue de sa fermentation. Ainsi, il désigne les dispositifs connus dans le domaine de la fermentation sous les appellations fermenteurs, méthaniseurs ou réacteurs. Généralement, il s’agit d’une cuve dans laquelle la fermentation se produit, qui est apte à contenir de la matière organique, des bactéries, et tout gaz issu de la dégradation de la matière organique. Plusieurs dispositifs digesteurs peuvent être reliés entre eux. Le dispositif digesteur est avantageusement relié à une cuve pour le stockage du gaz produit.
Dans le contexte de l’invention, le terme « gaz » fait référence à tout gaz produit dans le dispositif fermenteur, et peut-être utilisé, sauf mention explicite contraire, pour désigner, le méthane, le dioxyde de carbone, ou tout autre gaz résultant de la fermentation de la matière organique par méthanisation, ou tout mélange de ceux-ci, notamment l’ensemble de gaz communément désigné par le terme « biogaz ».
Dans le contexte de l’invention, le terme « matière » est utilisé pour désigner la matière organique ou matière fermentescible, éventuellement contaminée par d’autres matières non-organiques, qui est destinée à être dégradée dans le dispositif digesteur par les populations microbiennes, en vue de la production de gaz. Ainsi, le terme « matière » utilisé pour désigner la matière chargée dans le dispositif digesteur est de la matière comprenant de la matière organique.
Les inventeurs ont mis en évidence une nouvelle méthode de détection d’un dysfonctionnement dans un dispositif digesteur. Plus particulièrement, la méthode de détection repose sur une valeur représentative de la cinétique de production de gaz dans un dispositif digesteur entre deux chargements successifs de matière dans ledit dispositif digesteur. Ainsi, la méthode selon l’invention peut être mise en œuvre quelle que soit la technologie de méthanisation utilisée, comme par exemple la voie sèche, la voie humide, l’infiniment mélangé, ou la méthanisation en réacteur à lit fixe.
Le procédé de méthanisation, notamment à l’échelle industrielle, implique une succession de cycles, qui débutent par l’apport de matière fermentescible, et qui s’achèvent avec l’apport de matière suivant. A défaut d’un nouvel apport en matière, le cycle s’achève après que les populations bactériennes ont fini de se succéder pour dégrader la matière et l’ont épuisée. Il est préférable de ne pas attendre que le substrat soit complètement épuisé pour charger à nouveau de la matière dans le dispositif digesteur, afin de maintenir des niveaux de production acceptables. Il faut toutefois veiller à ne pas apporter de trop grandes quantités de matière à l’intérieur du dispositif, dans la mesure où une surcharge en matière organique a elle aussi des effets délétères sur le procédé de méthanisation.
Ainsi, la production de gaz dans un dispositif digesteur en fonctionnement normal suit une évolution temporelle globalement semblable d’un cycle à l’autre. Brièvement, le chargement en matière en début de cycle, essentiellement de la matière organique, entraine l’augmentation de l’activité de digestion anaérobie par les populations bactériennes. Ainsi, il est habituel d’observer une augmentation des taux de production de gaz en tout début de cycle, suivi d’une diminution importante après que les molécules les plus rapidement biodégradables ont été dégradées. Ensuite, la production de gaz est maintenue à des taux plus bas, et continue de diminuer à mesure de la consommation de la matière.
Lors d’un dysfonctionnement, les taux de production de gaz vont être réduits, mais cette réduction peut s’observer bien après la survenue du dysfonctionnement. Par exemple, le remplacement d’une population microbienne par une autre, qui va entrainer un changement des voies métaboliques mises en œuvre pour la dégradation de la matière, peut s’être produit progressivement, notamment à mesure de l’évolution de la nature du substrat à dégrader dans le digesteur, de sorte que l’impact sur la production de gaz ne sera visible que plusieurs jours après ce remplacement. Cela est dommageable car il est plus simple de corriger les dysfonctionnements lorsqu’ils sont détectés précocement. Une détection plus tardive entraine une perte plus importante de la productivité du dispositif digesteur.
Dans le contexte de l’invention, un dysfonctionnement peut être un changement d’état de fonctionnement du dispositif digesteur. En particulier, un dysfonctionnement peut être de nature physique, chimique, biochimique et/ou biologique.
Un dysfonctionnement peut être provoqué par des concentrations trop élevées en NH3, la présence d’antibiotiques, lors d’une surcharge organique, ou lors d’une accumulation d’acide gras à longue chaine notamment dans le cas d’un ajout excessif de lipides. Dans ce dernier exemple de dysfonctionnement, la production de méthane est réduite tandis que les acides gras volatils s’accumulent, ce qui va amplifier l’inhibition de la production de méthane jusqu’à entrainer une acidification du milieu. Cette acidification peut conduire à la production de mousse difficile à contrôler dans le réacteur.
La production de gaz peut être mesurée par différentes méthodes. Elle quantifie la quantité de gaz produit dans le dispositif digesteur.
Le taux de production quantifie la quantité de gaz produit dans le digesteur rapportée au volume utile dudit dispositif digesteur.
La quantité de gaz produite (production de gaz) peut être estimée à partir des mesures de débit de gaz instantané par des méthodes connues de l’homme du métier.
Par exemple, la production de gaz et le taux de production de gaz peuvent être estimés d’après la mesure du débit instantané de gaz, par exemple à la sortie du dispositif digesteur. Ceci est particulièrement pertinent dans le cas de digesteurs dont le volume est fixe, pour lesquels les quantités de gaz qui sortent du dispositif sont directement corrélées aux quantités de gaz produites à l’intérieur du dispositif, à pression et températures constantes.
Dans le cas des dispositifs digesteurs dont le volume et/ou la pression et/ou la température peut varier, notamment dans le cas de dispositifs digesteurs à doubles membranes, il est possible de mettre en œuvre des moyens de suivi de l’évolution du volume et/ou de la température et/ou de la pression du biogaz afin de calculer les taux de production à partir des débits instantanés mesurés et obtenir ainsi la cinétique de production de gaz.
Selon un mode de réalisation, le débit instantané de gaz en sortie du dispositif digesteur est mesuré de manière à pouvoir reconstituer une cinétique de production de gaz dans le dispositif.
Le débit instantané de gaz à la sortie d’un dispositif digesteur est une valeur de production de gaz dans ledit dispositif digesteur dans le cas de dispositifs digesteurs dont le volume, la température et la pression sont globalement constants.
Optionnellement, une autre mesure est enregistrée simultanément, de manière à avoir une estimation plus précise de la production de gaz dans un dispositif digesteur. Par exemple, il peut être procédé à l’enregistrement simultané de la température et/ou du volume et/ou de la pression à l’intérieur du dispositif digesteur. Ces mesures peuvent être réalisées de façon continue par des moyens connus de l’homme du métier.
Dans ce cas, le débit instantané de gaz à la sortie d’un dispositif digesteur est une valeur de production de gaz dans ledit dispositif digesteur après une correction mathématique prenant en compte la température, et/ou la pression, et/ou le volume à l’intérieur dudit dispositif digesteur, dans le cas de dispositifs digesteurs dont le volume et/ou la température et/ou la pression sont variables.
Selon un mode de réalisation, une valeur de production de gaz dans un dispositif digesteur est mesurée à au moins deux moments distincts au cours d’un cycle, c’est-à-dire dans l’intervalle de temps qui sépare deux chargements de matière successifs dans ledit dispositif. L’homme du métier saura adapter le nombre de mesures et leurs fréquences de manière à obtenir une cinétique de production de gaz dans le dispositif digesteur.
Selon un mode de réalisation, des mesures ne sont effectuées qu’à certains moments particuliers du cycle.
Selon une alternative, la fréquence des mesures sera variable au cours d’un cycle.
Selon un mode de réalisation, les mesures sont effectuées de manière automatique.
De préférence, le débit de gaz en sortie du dispositif digesteur est mesuré à au moins 5, de préférence au moins 10, de préférence au moins 20 moments distincts dans l’intervalle de temps qui sépare deux chargements de matière successifs dans ledit dispositif. De façon plus préférée, le débit de gaz est mesuré 24 fois entre deux chargements de matière successifs dans ledit dispositif. Plus préférentiellement, la mesure du débit de gaz à la sortie du dispositif digesteur est effectuée environ toute les secondes, environ toutes les trente secondes, environ toutes les minutes, environ toutes les minutes et demi, environ toutes les deux minutes, environ toutes les cinq minutes, environ toutes les dix minutes, environ toutes les trente minutes, ou environ toutes les heures. De façon préférée, la mesure du débit de gaz en sortie du dispositif digesteur est réalisée environ toutes les minutes.
Quelle que soit la manière d’estimer la cinétique de production de gaz dans le dispositif digesteur, celle-ci permet de calculer une valeur représentative unique, sous la forme d’un vecteur ou d’un score par exemple.
Selon un mode de réalisation, les valeurs de débit de gaz mesurées à la sortie d’un dispositif digesteur sont utilisées pour calculer des valeurs de production de gaz correspondant à un pas de temps défini. Ainsi, de façon préférée, les données mesurées sont d’abord utilisées pour calculer par interpolation des valeurs selon un pas de temps défini. De préférence, l’interpolation est une interpolation linéaire. Selon un mode de réalisation alternatif, les valeurs sont calculées à partir de la moyenne pondérée entre deux mesures successives du débit de gaz, la pondération prenant en compte le temps qui sépare lesdites mesures. D’autres méthodes connues de l’homme du métier pourront être mises en œuvre pour obtenir des valeurs de débit à des temps voulus à partir de valeurs mesurées.
Selon un mode de réalisation, le pas de temps utilisé pour calculer des valeurs de production de gaz dans un dispositif digesteur, notamment par interpolation des valeurs mesurées, est d’environ une minute. De préférence, le pas de temps est d’environ 2, 5, 6, 12, 18, 20, 25, 30, 45, 60, 90, 120, 240 ou 300 minutes. En particulier, le pas de temps est compris entre environ 0,0005 et 0,005 jours, de préférence environ 0,001 jours. Encore plus préférentiellement, le pas de temps est d’environ une minute et demi. Selon un mode de réalisation alternatif, l’interpolation est conduite de manière à obtenir environ 100, environ 200, environ 300, environ 400, environ 500, environ 600, environ 700, environ 800, environ 900, de préférence environ 1000 valeurs de production de gaz entre deux chargements de matière successifs dans le dispositif digesteur. L’homme du métier saura adapter le pas de temps en fonction de ses besoins, notamment en fonction du nombre de valeurs interpolées souhaitées.
Bien évidemment, d’autres méthodes pourront être utilisées pour obtenir la cinétique de production de gaz dans le dispositif digesteur.
A partir des cinétiques de production de gaz mesurées et/ou calculées comme détaillé ci-dessus, il est possible de calculer une valeur représentative de la cinétique de production du gaz dans un dispositif digesteur.
Par exemple, il est possible d’utiliser une analyse multivariée pour identifier les variables les plus discriminantes au sein de la cinétique de production de gaz dans un dispositif digesteur entre deux chargements successifs de matière dans ledit dispositif digesteur.
Selon un mode de réalisation préféré, l’analyse multivariée utilisée pour calculer une valeur représentative de la cinétique de production de gaz est une analyse en composantes principales (« ACP ») : les cinétiques de production de gaz sont utilisées pour construire une matrice d’un nombre de lignes égal au nombre de cycles (« individus »), chaque colonne de la matrice correspondant à une valeur individuelle de production de gaz au cours des différents cycles (« variables »). Dans ce mode de réalisation, les cinétiques sont éventuellement reconstruites par interpolation des valeurs de production de gaz mesurées de manière à obtenir un même nombre de valeurs dans chacune des cinétiques. Il convient alors de s’assurer que les débuts de chaque cycle (première valeur de chacune des cinétiques) soient alignés entre eux. Une étape optionnelle consiste à normaliser les données contenues dans la matrice avant de construire l’ACP.
Selon un mode de réalisation, les cinétiques de production de gaz obtenues lors d’un fonctionnement de type normal du dispositif digesteur peuvent être utilisées pour construire une ACP « de calibration ». Les valeurs représentatives de la cinétique de production de gaz peuvent alors être calculées à partir des coordonnées des individus sur au moins l’un des axes principaux, de préférence sur le premier axe principal, de préférence par lecture directe de la valeur de la coordonnée de l’individu sur le premier axe principal. Selon une alternative, la valeur représentative de la cinétique de la production de gaz est calculée à partir des coordonnées de ladite cinétique sur les deux premiers axes principaux. Les valeurs représentatives de la cinétique de la production de gaz obtenues avec la construction de l’ACP de calibration pourront servir de valeurs de référence. Les cinétiques obtenues au cours des cycles suivants seront alors utilisées comme nouveaux individus dont les coordonnées sur au moins l’un des axes principaux de l’ACP permettront de calculer la valeur représentative de la cinétique de la production de gaz. Selon un mode de réalisation, la valeur représentative de la cinétique de la production de gaz est un score qui correspond à la composante principale de premier niveau qui correspond à la valeur mesurée en abscisse de ladite cinétique dans le repère de l’ACP. Un dysfonctionnement pourra ainsi être détecté de façon précoce, par exemple lorsqu’une valeur représentative d’un cycle tout juste acquis s’éloigne de façon significative de la valeur de référence ou de l’ensemble des valeurs de référence.
Selon un mode de réalisation alternatif, après la fin d’un cycle donné, une ACP dite glissante est construite à partir des cinétiques précédant ledit cycle, afin d’estimer une valeur de référence ou un ensemble de valeurs de référence, et la cinétique dudit cycle donné est utilisée comme individu supplémentaire de manière à obtenir une valeur représentative pour ce cycle. Un dysfonctionnement pourra ainsi être détecté de façon précoce, par exemple lorsqu’une valeur représentative dudit cycle donné s’éloigne de façon significative de la valeur de référence ou de l’ensemble des valeurs de référence calculé à partir de l’ensemble des cycles précédant ledit cycle donné.
D’autres méthodes d’analyse de séries temporelles connues de l’homme du métier peuvent être mises en œuvre pour attribuer une valeur représentative de la cinétique de production de gaz à chaque cinétique particulière, et particulièrement sous la forme d’un score.
La valeur représentative de la cinétique de production de gaz dans le dispositif digesteur permet de déterminer l’état de fonctionnement dudit dispositif. Notamment, elle permet de détecter un dysfonctionnement de façon précoce.
Selon un mode de réalisation, la lecture seule de la valeur permet de détecter un dysfonctionnement dans le dispositif digesteur. De préférence, une valeur représentative de la cinétique de production de gaz peut indiquer un dysfonctionnement lorsqu’elle est négative.
Selon un autre mode de réalisation, la valeur représentative de la cinétique de production de gaz dans le dispositif digesteur est comparée à une valeur de référence.
Cette valeur de référence peut être obtenue à partir d’au moins une valeur représentative de la cinétique de production de gaz obtenue lors d’au moins un cycle précédent. De préférence, le au moins un cycle est choisi en fonction de la connaissance du bon état biologique et de l’absence de dysfonctionnement. De préférence, la valeur représentative de la cinétique de production de gaz est obtenue en calculant la moyenne de plusieurs valeurs représentatives de la cinétique de production de gaz obtenues pour des cycles antérieurs.
Dans un mode de réalisation, la valeur représentative de la cinétique de production indiquera un dysfonctionnement lorsqu’elle sera éloignée de la valeur de référence d’au moins environ 5% de la valeur de référence. De préférence, elle est éloignée d’au moins environ 10%, environ 15%, environ 20% ou environ 25% de la valeur de référence. Encore plus préférentiellement, la valeur représentative de la cinétique de production indiquera un dysfonctionnement lorsqu’elle sera éloignée de la valeur de référence d’au moins environ 50% de la valeur de référence.
Un deuxième objet selon l’invention concerne un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code pour l'exécution d’une méthode selon le premier aspect de l’invention.
Enfin, un troisième objet selon l’invention concerne un système comprenant au moins :
- un moyen de mesure d’une production de gaz dans un dispositif digesteur,
- un dispositif pour mettre en œuvre la méthode pour détecter un dysfonctionnement dans un dispositif digesteur, qui est adapté pour exécuter ladite méthode comprenant les étapes :
i) mesurer une valeur de production de gaz dans ledit dispositif digesteur à au moins deux instants distincts compris dans l’intervalle de temps s’écoulant entre deux chargements successifs de matière dans ledit dispositif digesteur, puis
ii) calculer une valeur représentative de la cinétique de production de gaz dans ledit dispositif digesteur entre lesdits deux chargements successifs de matière dans ledit dispositif digesteur, puis
iii) déterminer l’état de fonctionnement dudit dispositif digesteur,
- au moins un moyen d’information visuel ou sonore sur l’état de fonctionnement dudit dispositif digesteur.
Selon un mode de réalisation, le au moins un moyen de mesure d’une production de gaz est un débitmètre. De préférence, ledit débitmètre est positionné à la sortie du dispositif digesteur.
Selon un mode de réalisation, le dispositif pour mettre en œuvre la méthode pour détecter un dysfonctionnement dans un dispositif digesteur, adapté pour exécuter ladite méthode comprenant les étapes i), ii) et iii) énumérées ci-dessus comprend un programme d’ordinateur selon le deuxième objet de l’invention.
Selon un mode de réalisation, le au moins un moyen d’information visuel ou sonore est choisi parmi un moyen lumineux tel qu’une diode électroluminescente, un moyen d’affichage de l’information tel qu’un un écran digital, et un transducteur électroacoustique tel qu’un haut-parleur.
Exemples
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux des exemples qui suivent, donnés à titre illustratif et non limitatif
Etude de la cin é tique de production de gaz
Un dispositif digesteur automatisé comprenant un réacteur CSTR (continuous stirred-tank reactor) infiniment mélangé en PVC de 50 L dont 35,5 L de volume utile a été construit et mis en œuvre. Le choix d’un réacteur de type CSTR a été fait car, pour ce type de substrats et de digestion (voie humide), il s’agit du procédé le plus répandu à travers le monde.
La température dans le dispositif digesteur était régulée à l’aide d’un thermostat-régulateur qui faisait circuler de l’eau chaude dans la double-paroi du dispositif digesteur. Une sonde de température était placée dans le dispositif digesteur et associée à ce thermostat-régulateur permet une régulation de la température au sein du dispositif digesteur. Le contenu du dispositif digesteur était homogénéisé en continu à l’aide d’un agitateur à pales. Le mélange de substrats alimentant le dispositif digesteur était stocké à environ 4°C dans un réfrigérateur contenant une trémie d’alimentation d’une capacité maximale de 50 litres. Cette trémie d’alimentation était munie d’une pompe péristaltique permettant de recirculer le substrat d’alimentation au sein de cette trémie avant chaque alimentation pour en assurer l’homogénéité.
Le dispositif digesteur était équipé d’une sortie pour le gaz équipée d’un compteur à auget relié au programme d’acquisition (environ 38 mL de gaz par basculement) permettant la mesure et l’enregistrement du débit instantané de gaz et du volume cumulé de gaz. Ce circuit gaz est également équipé d’un point de prélèvement pour des échantillonnages et des analyses ponctuelles de la qualité du biogaz.
Le lisier de porc a été choisi comme substrat de base pour toutes les expériences afin de garantir de bonnes conditions de digestion en voie liquide. En effet, ce substrat assure les apports nécessaires en eau, alcalinité et nutriments. Pour garantir les mêmes caractéristiques du lisier tout au long des expériences, un lisier synthétique a été reconstitué à partir d’un lisier centrifugé et d’un ajout de 20 grammes par litre d’aliment pour chevaux. Le lisier centrifugé a été collecté et stocké à 4°C avant le démarrage du réacteur. Le même lisier centrifugé et le même aliment pour chevaux ont été utilisés pour l’ensemble des expérimentations.
Les pommes ont été choisies comme substrat du fait de leur forte teneur en glucides solubles, facilement biodégradables. Les teneurs élevés en glucides biodégradables de ce substrat et sa faible teneur en azote devraient entrainer une immobilisation de l’azote ammoniacal au cours de la digestion. Les caractérisations des substrats et les modélisations associées ont également montrées que les substrats riches en lipides présentaient un fort potentiel de production de méthane et permettaient également d’immobilier de l’azote. Ainsi, en complément des pommes, un substrat riche en lipide a été utilisé lors de ces expérimentations afin d’observer une meilleure production de méthane et un potentiel d’immobilisation de l’azote plus élevé au cours de la digestion.
Afin d’assurer un approvisionnement constant et une qualité maitrisée de ce substrat riche en lipide, le beurre a été choisi.
Le dispositif digesteur a été inoculé avec le digestat d’un autre dispositif digesteur en fonctionnement depuis plusieurs années, pour apporter la biomasse nécessaire au démarrage de la digestion anaérobie. Une agitation de 60 tours par minute à une température de 38°C a été appliquée.
La trémie d’alimentation a été remplie au démarrage de chaque expérience avec environ 35 litres de mélange des substrats. Pour maintenir un niveau de substrat constant dans la trémie d’alimentation, celle-ci a été remplie une fois par semaine avec une quantité de substrat équivalente à l’alimentation hebdomadaire du dispositif digesteur (environ 15 litres par semaine).
Le mélange utilisé au cours de cette expérimentation était composé de lisier centrifugé, d’aliment pour chevaux (20g.L-1), de pommes broyées (270 g.L-1) et de beurre (20 g.L-1).
Analyses et résultats
Le débit de biogaz instantané est mesuré et enregistré toutes les minutes pendant 35 jours.
La figure 1 montre l’évolution du débit instantané de biogaz dans le dispositif digesteur au cours du temps, pour les jours J10 (série 1, panneau A, trait plein noir), J17 (série 2, panneau A, trait plein gris), J23 (série 3, en pointillés), J25 (série 4, panneau B, trait plein noir) et J27 (série 5, panneau B, trait plein gris). Pour plus de clarté, les courbes ont été réparties sur deux panneaux : le panneau A présente les séries 1, 2 et 3, tandis que le panneau B représente les séries 3, 4 et 5.
Le panneau A de la figure 1 met en évidence une cinétique de production de gaz entre deux chargements successifs de matière dans le dispositif digesteur caractérisée par une diminution rapide des taux de production de environ 10 à environ 4 NL/j, puis un plateau avec des valeurs comprises entre 3 et 4 NL/j, suivi d’une diminution rapide survenant entre 10h et 15h, jusqu’à des valeurs globalement inférieures à 2 NL/j et d’un nouveau plateau de mesures situées approximativement entre 1 et 2 NL/j, voire moins.
Le panneau B de la figure 1 reprend la courbe de la série 3 pour simplifier la comparaison avec les séries suivantes. L’évolution des taux de production des séries 4 et 5 est différente de celle observée pour les séries 1 à 3, notamment en ce que la diminution mesurée dans les premières heures est plus marquée, avec des valeurs mesurées essentiellement entre 2 et 3 NL/j, suivi d’un plateau correspondant à ces valeurs, suivi d’une légère diminution autour de 15 heures jusqu’à des valeurs essentiellement comprises entre 1 et 2 NL/j.
Ces différences de cinétiques ont été attribuées à un dysfonctionnement survenu dans le dispositif digesteur, qui a été causé par une accumulation des acides gras volatils dans le milieu qui a été responsable d’une inhibition de la production de gaz. Elles pourraient s’expliquer par le basculement de la voie acétotrophe vers la voie hydrogénophile de la méthanogénèse.
Cette première observation des courbes cinétiques de production de gaz dans le dispositif digesteur est un indicateur de l’état de fonctionnement mais ne permet cependant pas de détecter précisément la survenue d’un dysfonctionnement, en raison de l’évolution progressive de la transformation de la forme de la courbe et de la variabilité des données.
Valeur représentative de la cinétique de production de gaz
A partir des données de débit instantané de biogaz enregistrées comme indiqué précédemment, une analyse multivariée a été conduite.
Tout d’abord, la cinétique de production de biogaz étant constituée d’un certain nombre de valeurs de débit instantané de gaz mesurées à différents instants entre les deux chargements du dispositif digesteur, une première étape a consisté à repositionner la courbe de la cinétique de production de biogaz sur un nombre d’instants fixes séparés par des intervalles de temps réguliers, ici une heure. Le temps entre deux chargements étant dans cet exemple de 24 heures, 24 valeurs horaires de débit instantané de gaz ont été calculées par interpolation des valeurs mesurées. Pour le jour J21, en raison d’une panne matérielle, il n’a pas été possible d’établir la courbe de la cinétique de production de biogaz.
Ainsi, pour chaque période séparant deux chargements successifs de matière dans le dispositif digesteur, 24 valeurs horaires de débit instantané de gaz ont été calculées par interpolation linéaire, et une matrice de 35 lignes (une cinétique d’un cycle de 24h par lignes) et 24 colonnes (une valeur horaire de débit instantané de gaz par colonne) a pu être construite. Chaque cinétique a été normalisée en lui soustrayant sa moyenne et en la divisant par son écart type (« Standard normal variate »). Enfin, une analyse en composantes principales (ACP) a été réalisée à partir de ces données pour permettre de définir, pour chacune des cinétiques, les valeurs représentatives de la cinétique de la production de gaz dans le dispositif digesteur au cours du temps sous la forme d’un score. Le score attribué pour chacune des cinétiques est la composante principale de premier niveau qui correspond à la valeur mesurée en abscisse de la cinétique considérée dans le nouveau repère de l’ACP
Analyses et r é sultats
Les valeurs représentatives de la cinétique de la production de gaz dans le dispositif digesteur au cours du temps (scores) sont présentées en figure 2 (trait plein). L’évolution de la production moyenne journalière pour la même période est également représentée (figure 2, trait en pointillés). Il ressort alors clairement qu’au jour J20, le score calculé s’éloigne significativement des scores mesurés pour les jours précédents. En effet, cette valeur passe à 11,68, alors que la moyenne des 19 jours précédents est de 25,23 ± 2,70. On observe également que le score continue de chuter, avec une valeur de 4,26 à J22, puis des valeurs inférieures à 0 les jours suivants.
Sur cette même période, la production de gaz globale par jour commence à diminuer entre J25 et J30, avec des productions de 1,32 Nm3/m3.j à J27, puis 1,13 Nm3/m3.j à J28, 1,03 Nm3/m3.j à J29 et inférieures à 1 Nm3/m3.j les jours suivants.
Ainsi, il ressort des exemples que l’utilisation d’une valeur représentative de la cinétique de production de gaz dans le dispositif digesteur a permis de déceler un dysfonctionnement dès le jour J20, alors que l’analyse des cinétiques présentées en figure 1 ne permettaient pas de détecter aussi précocement un changement dans l’état de fonctionnement du dispositif digesteur (modification des profils cinétiques pas encore détectée à J23).
R é f é rences
ADEME avril 2017. Méthanisation / Feuille de route stratégique. Collection Horizons. 40 p. Réf. 010241.
P. POUECH, L. RIQUIER, B. DE GUILLEBON, ADEME. 2017. Mesure des flux de biogaz sur les installations à la ferme et centralisées. Guide pratique. 29 p.

Claims (10)

  1. Méthode de détection d’un dysfonctionnement dans un dispositif digesteur comprenant les étapes :
    - mesurer une valeur de production de gaz dans ledit dispositif digesteur à au moins deux instants distincts compris dans l’intervalle de temps s’écoulant entre deux chargements successifs de matière dans ledit dispositif digesteur, puis
    - calculer une valeur représentative de la cinétique de production de gaz dans ledit dispositif digesteur entre lesdits deux chargements successifs de matière dans ledit dispositif digesteur, puis
    - déterminer l’état de fonctionnement dudit dispositif digesteur.
  2. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle ladite valeur de production de gaz dans ledit dispositif digesteur est une valeur de débit instantané à la sortie dudit dispositif digesteur.
  3. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite valeur représentative de la cinétique de production de gaz est calculée à l’aide d’une analyse multivariée.
  4. Méthode selon la revendication 3, dans laquelle ladite valeur représentative de la cinétique de production de gaz est calculée à l’aide d’une analyse en composantes principales.
  5. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite valeur représentative de la cinétique de production de gaz est un score.
  6. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’étape de détermination de l’état de fonctionnement dudit dispositif digesteur comprend la comparaison de ladite valeur représentative de la cinétique de production de gaz avec une valeur de référence.
  7. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit gaz comprend du méthane et du dioxyde de carbone.
  8. Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite matière est de la matière fermentescible, de préférence de la matière comprenant de la matière organique.
  9. Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code pour l’exécution d’une méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes lorsqu’il est exécuté par un ordinateur.
  10. Système comprenant :
    - des moyens de mesure de valeurs de taux de production de gaz dans un dispositif digesteur,
    - un dispositif pour mettre en œuvre la méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 pour détecter un dysfonctionnement dans un dispositif digesteur, ledit dispositif étant adapté pour exécuter ladite méthode comprenant les étapes :
    i) mesurer une valeur de production de gaz dans ledit dispositif digesteur à au moins deux instants distincts compris dans l’intervalle de temps s’écoulant entre deux chargements successifs de matière dans ledit dispositif digesteur, puis
    ii) calculer une valeur représentative de la cinétique de production de gaz dans ledit dispositif digesteur entre lesdits deux chargements successifs de matière dans ledit dispositif digesteur, puis
    iii) déterminer l’état de fonctionnement dudit dispositif digesteur,
    - un moyen d’information visuel ou sonore sur l’état de fonctionnement dudit dispositif digesteur.
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