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Contexte

La méthanation biologique permet la conversion d’H₂ et de CO₂ en méthane au moyen d’un consortium microbien anaérobie. Ce type de procédé peut présenter une brique technologique intéressante dans le cas des filières de traitement de biomasses et résidus organiques et des filières de production d’énergie renouvelable. Une étape de biométhanation peut être utilisée pour purifier le biogaz (principalement composé de CO₂ et de CH₄) produit par méthanisation à partir de matières organiques, et ainsi augmenter la teneur en méthane. La biométhanation constitue également une brique technologique importante dans l’établissement du concept Power-to-Gas (ADEME, 2014). En effet, la production d’énergie électrique renouvelable (solaire, éolien) étant fluctuante et intermittente, l’électrolyse permet la conversion de cette énergie électrique excédentaire en énergie chimique sous forme d’H₂ par décomposition de molécules d’eau. En mobilisant du CO₂ produit par digestion anaérobie ou présent dans des fumées industrielles, la biométhanation peut ainsi être un procédé clef pour convertir l’H₂ et le CO₂ en méthane, vecteur énergétique facilement stockable.

La méthanation biologique peut être réalisée en mode in-situ, dans lequel l’H₂ est directement injecté dans un méthaniseur : l’H₂ réagit avec le CO₂ produit lors de la dégradation des substrats organiques, ce qui permet de concentrer le biogaz en méthane. La méthanation biologique n’est pas à l’heure actuelle une technologie mature, et un effort de recherche important est nécessaire pour améliorer la compréhension des processus clefs afin d’envisager une optimisation du procédé. En particulier, l’H₂ étant un gaz peu soluble dans l’eau, le transfert de matière gaz-liquide est une étape limitante. De plus, les microorganismes de la biométhanation sont très sensibles à des concentrations élevées en H₂ dissous. La consommation du CO₂ peut également entrainer un déséquilibre du pH, qui peut fortement impacter les cinétiques de la méthanogènese. Par conséquent, les interactions entre les processus physiques et biologiques sont fortes, et ces mécanismes doivent être élucidés afin d’améliorer les performances et les modes de conduite des procédés de biométhanation.

Ce travail de doctorat s’inscrit dans la continuité de 2 thèses réalisées au LBE. Il est également adossé au projet ANR BioMIntens coordonné par Institut Pascal (Clermont-Ferrand), et impliquant également le LMGE (Clermont-Ferrand) et la société BIO-VALO. Le doctorant sera en contact régulier avec ces partenaires.

Programme de thèse

Le programme de thèse comprend trois phases :

• Phase 1 : Effet de l’ajout d’H₂ et d’un mélange H₂/CO₂ sur le fonctionnement d’un méthaniseur.

Des expériences seront menées sur deux digesteurs de laboratoire afin d’évaluer les performances d’un digesteur anaérobie alimenté avec 2 substrats reconstitués. L’effet de l’ajout d’H₂ sera évalué en suivant l’effet des paramètres opératoires sur les performances de méthanation (cinétique, rendement…) et la structure des communautés microbiennes.

• Phase 2: Optimisation de la biométhanation in-situ par des leviers biotiques et abiotiques.

L’effet des paramètres opératoires sera évalué dans un objectif de compréhension des mécanismes clefs mis en jeu et d’optimisation du bioprocédé. Différentes stratégies seront également évaluées, en particulier le design global du procédé.

• Phase 3 : Validation des paramètres optimaux.

Les paramètres les plus prometteurs identifiés dans la phase 2 seront évalués sur le procédé de biométhanation in-situ.

Selon les compétences du doctorant, il pourrait être envisagé une approche de modélisation biocinétique en adaptant le modèle ADM1 (Anaerobic Digestion Model N°1) aux contraintes de la biométhantion in-situ.

Déroulement du doctorat / Compétences

La thèse sera réalisée au Laboratoire de Biotechnologie de L’Environnement (LBE) d’INRAe à Narbonne (https://www6.montpellier.inrae.fr/narbonne). Le LBE mène des recherches centrées sur le concept de la bioraffinerie environnementale en vue de valoriser les déchets liquides et solides en bioénergie, en biomolécules et en bioproduits. Dans ce cadre, il développe de nombreux travaux de R&D sur la méthanisation et est devenu un des leaders mondiaux dans ce domaine.

Pour mener à bien le projet de thèse, des compétences pluridisciplinaires seront mobilisées, en particulier en génie microbiologique (mise en œuvre, suivi et optimisation de bioréacteurs de méthanisation et de biométhanation), en écologie microbienne (éco-ingénierie d’écosystèmes de biométhanation, évaluation et optimisation de la robustesse d’écosystèmes microbiens) et en génie des procédés (transfert gaz-liquide, modélisation/simulation),

Ce travail pluridisciplinaire sera encadré par 3 chercheurs du LBE : R. Escudié (DR - HDR, Co-directeur de thèse, compétence en Génie de Procédés), J.P. Delgenès (DR - HDR, Co-directeur de thèse, compétence en Génie Microbiologique), E. Trably (DR - HDR, compétence en éco-ingénierie des écosystèmes et écologie microbienne).

Le démarrage de la thèse est prévu à l’automne 2021.

Contact

Renaud Escudié - renaud.escudie@inrae.fr

Eric Trably – eric.trably@inrae.fr

Jean-Philippe Delgenès - jean-philippe.delgenes@inrae.fr

Date limite de candidature : 07/06/2021