SdencesetMédedne
Essais de fermentation à partir de Calotropis procera :
production de CH4 en fonction de la charge en substrat et en
fonction de la température
M. MILAITI 1, A.S. TRAORE2, R. MOLETTA3
1. Faculté des Sciences exacles et appliquées (FSEA) Université de N'Djaména B.P \\027 Tchad Tél: (235) 52 97 40 ou
(235) 8417502 Fax: (235) 514033 E-mail: mmilaiti@yahoo.fr
2. Laboratoire de biochimie et de microbiologie FA.ST, Université de Ouagadougou 03 B.P. 7021 Ouagadougou 03 Burkina Faso Tél: (226) 33 20
.
411308852 Télécopie: (226) 3072 42 E-mail: aSlraore@hotmail.com
3. INRA - Laboratoire de Biotechnologie de l'environnemenl (L.B.E.) avenue des étangs - 1110 Narbonne - France Tél. :+33468425\\ 60
Introduction
procera. L'intérêt porté sur la valorisation de cette
plante est encore très récent.
Labiométhanisationestun procédéqui permet Les travaux de SALL M.D. et ses collaborateurs
de convertir les matières organiques en
sur la valorisation des plantes à latex en 1989 au
composés énergétiques. Elle apparaît comme
Sénégal et ceux de TRAOR E A.S. en 1992 au
une solution envisageable pour lever le défi
Burkina Faso ont montré que Calotropis procera
énergétique dans les pays de la zone sahélienne.
est
riche
en
matière
organique
et très
Ce procédé peut aussi apporter des solutions aux
fermentescible.
nombreux problèmes de l'environnement: la
désertification, la déforestation et la pollution.
Dans le cadre de nos travaux réalisés au
laboratoire, nous avons voulu savoir quel est le
De nombreux pays, dans le cadre de la politique
profil de cette fermentation. Notre contribution ici
d'économie d'énergie et de protection de la nature,
porte sur le suivi des produits gazeux en fonction
se tournent vers la valorisation de la biomasse. Au
de la température et sur l'influence de la charge du
Burkina Faso et au Tchad, nous nous sommes
substrat sur la production du méthane.
intéressés à une plante à latex, le Calotropis
Matériel et méthodes
Schéma technologique
Les fermentations ont été conduites en discontinu
Les essais de méthanisation de la biomasse
dans des fermenteurs de 2 litres en pyrex,
végétale (phytomasse) ont été réalisés à partir
infiniment mélangés et contenant 1 litre de milieu
des feuilles de C. procera séchées et broyées. La
fermentaire. La température a été stabilisée par un
charge de cette biomasse dans ces essais de
circuit d'eau externe provenant d'un bain
fermentation a été prise à un taux de 2 %, 4% et
thermostaté. Les fermenteurs ont été munis d'une
5% (PN).
sonde à pH reliée à un régulateur maintenant le pH
choisi par addition de KOH 2 N. L'homogénéisation
Le tampon utilisé dans le milieu de culture a été
du milieu a été faite par agitation magnétique ou
pris suivant cette composition: 2g de K2HP04 et
par rotation de pales dans les digesteurs.
2g de NH4CI dans 1000 ml d'eau distillée. Suivant
la charge massique du substrat (2%, 4% et 5%),
trois milieux de culture ont été préparés avec un
Rev. CAMES· Série A, vol. 02, 2003
73
".
Sciences et Médecine
digesteur contenant 1000 ml de solution tampon.
Résultats
Le milieu a été agité puis son PH ajusté à 7 avec
KOH 2N. Après cette opération, la stérilisation du
milieu a été faite à l'autoclave pendant 30 minutes
Les essais de fermentation ont été réalisés avec
à 115°C. Le vide dans le digesteur a été obtenu à
des charges en substrat séché et broyé de 2%, 4%
l'aide d'une pompe à impression d'huile et ce vide
et 5% (PN).
a été ensuite remplacé par un gaz inerte qui est
L'augmentation de la charge du substrat des
l'argon. Le milieu ainsi obtenu a été inoculé dans
réacteurs entraîne un retard de la méthanogénèse
les conditions stériles.
au cours de la fermentation. Ce retard est assez
Nos études ont été réalisées avec l'inoculum
accentué dans le digesteur chargé à 5%. Dans le
provenant des boues des étangs à Narbonne
digesteur de 2%, la production de CH4 a atteint un
(France). La quantité de l'inoculum injectée, a été
niveau de 76,3% au bout de 3 semaines de
prise à 10 % (VIV). Après l'inoculation les
digestion. Des expériences réalisées dans les
bioréacteurs ont été thermorégulés à 25°C, 35°C
fermenteurs à 25°C, 35°C et 45°C avec seulement
et 45°C. La production du biogaz a été suivie
une charge de 2% de substrat donnent des
pendant 28 jours.
produits gazeux apparus au cours de la
fermentation et représentés par les figures 2, 3 et
4.
Analyse de biogaz
Dans le fermenteur à 25°C, le CO2 a tendance à
Elle a été déterminée par chromatographie en
s'accumuler, néanmoins son évolution reste en
phase gazeuse sur appareil SHIMADZU GC-8A
dessous de 10% pendant toute la durée de la
équipé d'un détecteur à catharomètre qui mesure
fermentation. Par contre dans les fermenteurs à
la conductibilité des gaz et relié à un intégrateur, le
35°C et 45°C, la production du CO
CR SA.
2 est assez
importante pendant les dix premiers jours de
La séparation des différents gaz (C0
fermentation.Cette production commence à
2 , N20, H2 ,
diminuer à partir du 129 jour d'incubation et s'est
02, N2, CH4) a été faite sur deux colonnes:
maintenue entre 15% et 20% jusqu'à la fin de la
le CO
fermentation. Pendant les deux premières
2 et le N2 0 ont été séparés sur une
semaines, la production du CO
colonne Hayesep Q (80-100 mesh, 2m X 1/8
2 est d'autant plus
inch, Touzart
importante que la température soit élevée.
& Matignon).
La figure n° 3 montre que la production de
- les autres gaz (H2, 02' N2, CH4) ont été séparés
l'hydrogène est très précoce et sa diminution très
sur un tamis moléculaire 5 (80-100 mesh, 2m X
rapide. Dans les réacteurs de 45°C et 35°C
1/8 inch, Touzart & Matignon).
l'hydrogène a totalement disparu à partir du 3èm~
jour, mais dans le réacteur à 25°C, l'hydrogène a
Les deux colonnes ont été montées en série et
disparu dans le milieu réactionnel au Sème jour
séparées par une colonne à vide de 10 m de long
d'incubation. En outre, nous remarquons qu'au fur
qui ralentit le passage des gaz au niveau de la
et à mesure que les pics d'hydrogène et de CO
deuxième colonne. La détection a été faite sur un
2
catharomètre (principe du pont Whestone) dont
diminuent, ceux du méthane augmentent.
l'intensité a été fixée à 90 mA.
L'évolution du méthane observée sur la figure 4
Les échantillons ont été analysés dans les
permet de conclure que la température a une
conditions suivantes: température de l'injecteur
influence sur la production du méthane. Au bout de
100°C, température du
détecteur 100°C,
28 jours de biofermentation réalisée avec le
température du four 35°C, volume du gaz injecté 1
substrat séché et broyé, la production de méthane
ml, gaz vecteur Argon, pression au manomètre de
dans les réacteurs à 45°C et à 35°C (60,32% et
l'appareil 3 bar.
56,65%
de
CH 4 en moyenne par jour
respectivement) est beaucoup plus élevée que
L'analyse volumétrique de biogaz de fermentation
celle du réacteur à 25°C (30,975% de CH 4 en
a été faite directement dans un compteur
moyenne par jour).
volumétrique SCHLUMBERGER fixé à la sortie de
la phase gazeuse du digesteur.
Rev. CAMES - Série A, vol. 02, 2003
74
Sciences et Médecine
1Ot-------------+.:....-----=----
.,+--------------,,L-~L-----=:==
lOt--------;rL-7L----,-----=-
JOt----~~_hc:.=:..-----------
lOt-~f9~----------------
1Ot--------------------
Figure 1 : Etude de l'influence de charge
en substrat sur la production du méthane
0+--1----1--+--+------.,1----+--+-+---+----+-+--+----1-
o
JO
12
14
16
18
20
22
24
26
28
Temps de fermentation (jours)
LU
,
18
30
-+-H2R2S
.\\
-+-C02R45
....... H2R4~
16
_ _ C02R35
\\ \\
........- H2R35
14
-C02R:25
\\ \\
12
\\ \\
10
15 t=------~.................C____=:>..,..L
8
\\ "-
gaz
\\
6
\\
10 t-------------=--
4
"""-
\\
2
"-
~
~
0
2
3
4
5
Temps de fennenlatlon Oours)
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Temps de fermentation Oours)
R45=Réacteur à 45° C ; R35 = Réacteur à 35°C·
R45=Réacteur à 45° C ; R35 = Réacteur à 35°C;
H25=Réacteur à 25°C
'
R25 = Réacteur à 25°C
Figure 3 : Evolution de H2 au cours de la fermentation
Figure 2 : Evolution de CO2 au cours de la
méthanique de C. procera
fermentation méthanique de C. procera
90
........CH4 R45
--"'-CH4 R35
80 1--------;!.......,or----.,.L~-- ___CH4 R25
70 -r------f----.,L--~.,L.=----.=:::,.....-
6 0 1 - - - - - + - 1 - - - - - - - - -
50 1-------.JIL-----------I'C.--~
40 1--~........4-------~C---
20 ~'+=~~~~=-------
R45 = Réacteur à 45°C; R35 = Réacteur à
35°C; R25 = Réacteur à 25°C
10 1 7 ' - - - - - - - - - - - - - - -
Figure 4 : Cinétique de production du méthane
au cours de la fermentation métrhanique de C.
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
pricera en fonction de la température
Temps de fermentation ijours)
Rev. CAMES - Série A, vol. 02, 2003
75
Sciences et Médecine
Discussion
trois premières phases (hydrolyse, acidogénèse
acétogénèse)
de
la
méthanisation
soi;
effectivement fonctionnelles dans les premiers
Les cinétiques de production de CH4 observées
Instants de la fermentation. Le biogaz produit
sur la figure 1 permet de conclure que la charge du
pendant les premiers jours de digestion est riche
substrat Influe sur la production de méthane. Pour
en CO
nos essais de fermentation, la productivité
2 et pauvre en CH 4 (ARCHER DB 1983 ;
CHYNOWETH OP et coll. 1971). Dans l'analyse de
moyenne du biométhane est plus importante dans
CO
le fermenteur chargé à 2% de substrat (145,09
2 et de H2
à 45°C et 35°C, la production tout
cm3 CH
comme la consommation de ces produits gazeux
4 Ij/l) que dans celui chargé à 4% (130,91
sont relativement rapide par rapport à la production
cm3 CH4 Ij/l) ou à 5% (77,06 cm3 CH4 Ij/l).
et à la consommation de ces produits à 25°C.
L'influence de la thermophilie apparaît clairement
Les produits gazeux observés à 25°C, 35°C et
dans la cinétique de la production de CH
45°C (figures 2, 3 et 4), ont montré que la
4 .
L'évolution de CH
production d'hydrogène est très rapide au 1er jour
4 atteint rapidement le niveau
maximum à 45°C et à 35°C alors qu'à 25°C cette
de fermentation mais tombe rapidement au 2e jour.
cinétique de CH
Cette production diminue progressivement pour
4 est plus lente et plus étalée dans
disparaître au 5e de fermentation. En revanche la
I~ temps. Ces cinétiques traduisent donc le fait que
production de CH
1 augmentation de la température de méthanisation
4 débute lentement au pre~ier
permette d'accroître considérablement les activités
jour d'incubation et évolue en augmentation
métaboliques des partenaires bactériens de la
pendant la durée de la fermentation.
biométhanisation (CONRAD R 1990).
La. comparaison entre la production d'hydrogène
Oans nos conditions expérimentales, le fermenteur
qUI est rapide et celle de CH 4 qui est très lente,
à 25°C donne un rendement de 4519,74 cm3 CH4
découle du developpement généralement lent des
Ikg de substrat séché et broyé métabolisé par jour.
bactéries méthanogènes (SCHINK B. 1997,
Le fermenteur à 35°C présente un rendement de
STAMS AJM 1994). Et si la production de CH 4 se
20829,034 cm3 CH
poursuit après disparition des pics de H
4 Ikg de substrat séché et broyé
2 , cela
métabolisé par jour. Le fermenteur à 45°C donne
révèle l'existence dans le milieu fermentaire des
par contre un rendement de 23656,89 cm3 CH
bactéries
méthanogènes
acétoclastes
et
4 Ikg
hydrogénophiles (LABAT M. 1986, STAMS AJM
de substrat séché et broyé métabolisé par jour.
1994). On peut noter également dans le milieu la
En établissant la matière sèche avant et après la
présence
des
bactéries
méthanogè~es
méthanisation, le taux de solubilisation est de
thermophiles responsables de la production du
98,68%
pour le fermenteur à 45°C. Pour le
méthane à 45°C.
fermenteur à 35°C, ce taux de solubilisation est de
Le fait que la diminution de la quantité d'hydrogène
98,84% . Pour le fermenteur à 25°C, ce taux est de
et de CO
98,79%. Ces résultats constituent la preuve que
2 soit couplée à l'augmentation de la
cette plante est facilement biodégradable et très
production du CH4 ' indique clairement l'utilisation
fermentescible aussi bien en thermophilie qu'en
de l'hydrogène moléculaire par les bactéries
mésophilie. A ce titre, elle constitue un bon
méthanogènes hydrogénophiles pour réduire le
substrat pour un consortium microbien dans la voie
CO 2 en CH 4 (TRAORE AS 1983, KELTJENS
de la méthanogénèse.
1986). En consommant préférentiellement
l'hydrogène
produit,
les
méthanogènes
Conclusion
maintiennent ainsi la faible pression partielle en
hydrogène. La faiblesse de cette pression est
L'ensemble des résultats constitue un acquis
nécessaire
à
l'obtention
des
conditions
majeur pour la valorisation énergétique de C.
thermodynamiques favorables pour les bactéries
procera par la biométhanisation. C'est donc une
acétogènes productrices d'hydrogène (GARCIA JL
biomasse végétale à prendre en compte dans la
1982, STAMS AJM 1994).
mise en place d'une politique de recherche de
La production intense de H
sources d'énergie nouvelles et renouvelables.
2 et de CO2 durant les
premiers jours de fermentation suggère que les
Rev. CAMES - Série A, vol. 02. 2003
76
Sciences et Médecine
Remerciements
- KELTJENS JT, DRIFT C. 1986. Electron transfer
reactions in methanogens. FEMS Microbiol.
Rev., 39: 259-303.
Les auteurs tiennent à remercier la Coopération
française, le Laboratoire de Biotechnologie et
- LABAT M., GARCIA J.L. 1986. Study on the
Environnement (LBE) de Narbonne, l'Université de
development of methanogenic microflora during
Ouagadougou et l'Université de N'Djaména qui ont
anaerobic digestion of sugar beet pulp. Appl.
soutenu financièrement, matériellement et
Micrabiol. Biotechnol., 25: 163-168.
moralement ce travail.
- SALL M. O., SOW O., TRAORÉ A.S., TINE E.
Références bibliographiques
1989. Valorisation des plantes à latex:
Euphorbia tirucalli et Calotropis procera. Rev.
Rés. Amélior. Prad. Agr. Milieu Aride, 1: 171-
- ARCHER D.B. 1983. The microbiological basis of
179.
process control in methanogenic fermentation of
soluble wastes. Enzyme Micro .technol., 5: 162
- SCHINK B. 1997. Energetics of Syntrophic
- 170.
cooperation
in
Methanogenic
Degradation.American society for Microbiology.
- CHYNOWETH D.P., MAH RA 1971. Volatils
Microbiol. Mol. Biol. Rev., 61 (2): 262-280
Acid formation in sludge digestion. Adv. chem.
ser., 105: 41-54.
- STAMS A.J.M.
1994. Metabolic interactions
between anaerobic bacteria in methanogenic
- CONRAD R. and WETIER B. 1990. Influence of
environments. Antonie Van Leeuwenhoek, 66 ,
temperature on energetics of hydrogen
271-294.
metabolism in homoacetogenic, methanogenic
and other anaerobic bacteria. Arch. Microbiol.,
- TRAORE, A. S., 1992. Biogas fermentation in
155: 91-95.
Calotropis procera: a latex plant in west Africa.
Bioressource technology, 41: 105-1 09.
- GARCIA J.L., GUYOT JP, OLIVIER B. TRADE
M. 1982. Ecologie microbienne de la digestion
anaérobie. Chier ORSTOM, 45 : 3-15.
La valorisation énergétique de Calotrapis
celle de la charge de 4% (130,91 cm3 CH4fj/l) ou
pracera, plante à latex blanc de la famille
5 % de charge (77,06 cm3 CH4/j/I).
des Asclépiadacées a été envisagée par la
voie Biotechnologique notamment par la
Les essais de biofermentation réalisés avec les
voie de Biométhanisation.
échantillons de C. procera séchés et broyés à
différentes températures montrent que celles-ci ont
Nous avons réalisé des essais de
une influence manifeste sur la production de
fermentation au laboratoire avec les feuilles
biomé.thane. Ainsi la teneur en CH4, au bout de 28
de C. procera séchées et broyées en
jours de biofermentalion, dans les fermenteurs à
régime discontinu. Au cours de celle étude,
45°C et 35°C est beaucoup plus importante
nous avons procédé à deux tests de
(respectivement 60,32% et 56,67% de CH 4 en
paramètres: les charges en substrat, et les
moyenne par jour) que celle du fermenteur à 25°C
différentes températures de fermentation
(30,975 % de CH4 en moyenne par jour).
qui sont des conditions d'optimisation des
réactions biologiques.
Mots Clefs: Biométhanisation, Calotrapis procera,
température, charge en substrat
Pour la charge en substrat, des expériences
ont été faites avec des taux de 2%, 4%, 5%
(plv). Les tests sur les charges du substrat
séché et broyé montrent que la charge de
2% de substrat, au bout de 28 jours de
biométhanisation, donne une productivité
plus importante (145,09 cm3 CH4/j/l) que
Rev. CAMES - Série A, vol. 02, 2003
77
Sciences et Médecine
>-
Concerning the substrate load, somEl experiments
~
Methanic fermentation test
eu
were donned with a total of 2 %, 4 % and 5 %
E
from the Calotropis procera :
(w/v). The tests on the dried and ground substrate
E
Production of CH4 in function
load showed that the load of 2 % substrate at the
~
end 01 28 days of biométhanisation, produced very
en
of temperature and substrate
load
important productivity (145,09 cm3 CH 4 day/Li than
the load of 4 % (130,91 cm3 CH4 day/Li or 5 % of
The energetic valorisation of Calolropis
load (77,06 cm3 CH 4 day/Li.
procera a latex white plant belonging to the
family Asclepiadaceous considered by
Experiment conducted (realised) on dried and
biotechnology as biomethanisation. Some
ground samples of C. procera at different
experiments
on
fermentation
were
temperatures, showed that they have influence on
conducted in discontinue regime, in the
the biométhane after 28 days of biofermentation
laboratory using dried and ground C.
the content (among) of CH 4 in the fermenteurs at
procera
leaves.
In
this
study
two
45 and 35 oC was found to be very important
parameters tests were conducted, substrate
(60,32 % and 56,67 % CH
load
and
different
fermentation
4 in average per day)
temperatures as optimisation condition of
respectively th an the fermenteur at 25°C
biological reaction.
(30,975 % CH 4 is average per day).
Key words : Calotropis procera, temperature,
substrate load, biométhanisation.
Rev. CAMES - Série A, vol. 02, 2003
78