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UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
DEPARTEMENT GENIE CHIMIQUE
Présenté par : RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud
Promotion VOAJANAHARY
Année : 2011Date de Soutenance : 23 Janvier 2013
Polytechnique
Premier
Partenaire des
Professionnels
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
DEPARTEMENT GENIE CHIMIQUE
Présenté par : RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud
Devant les membres du jury composé de :
Président : Professeur ANDRIANARY Philippe
Examinateurs : Docteur RANDRIANA Nambinina Richard Fortuné
Docteur RAKOTOSAONA Rijalalaina
Docteur RAKOTOMAMONJY Pierre
Encadreur : Docteur RAHARIJAONA Tovo Robin
Promotion VOAJANAHARY
Année : 2011
Polytechnique
Premier
Partenaire des
Professionnels
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page i
REMERCIEMENTS
La réalisation de ce mémoire n’a pas pu se faire sans la volonté de Dieu, Le Père
Tout Puissant, à qui j’adresse ma profonde gratitude et ma plus grande
reconnaissance. Je ne saurais aussi oublier les personnes morales et physiques qui
m’ont été d’une grande aide dans ce travail, et la collaboration de nombreux
laboratoires.
J’adresse mes remerciements à toutes les personnes ci-après :
Au Professeur ANDRIANARY Philippe Antoine : Directeur de l’ESPA et
Président du jury ;
Au Docteur RANDRIANA Nambinina Richard Fortuné : Chef du Département
Génie Chimique et Examinateur ;
Au Docteur RAKOTOMAMONJY Pierre : Chef du Département Cycle
Préparatoire de l’ESPA et Examinateur ;
Au Docteur RAKOTOSAONA Rijalalaina : Enseignant Chercheur au
Département Génie Chimique, Directeur de Partenariat à l’Université
d’Antananarivo et Examinateur ;
Au Docteur RAHARIJAONA Tovo Robin : Enseignant Chercheur au
Département Génie Chimique, Encadreur de ce mémoire, qui malgré ses
occupations, n’a pas ménagé son temps pour la réalisation de ce travail ;
Au Docteur RAVONINJATOVO Achille Olivier : Chercheur au CNRIT,
responsable de la Cellule Biogaz dans le Département Energétique, qui m’a
autorisé à travailler au sein de son laboratoire.
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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Je réitère également mes remerciements :
A tout le personnel du laboratoire Génie Chimique Vontovorona ;
Aux chercheurs au CNRIT ;
Aux membres de ma famille, les camarades de promotion, les amis.
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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SOMMAIRE
REMERCIEMENTS
GLOSSAIRE
LISTE DES ACRONYMES ET ABREVIATIONS
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES PHOTOS
LISTE DES ANNEXES
INTRODUCTION
PARTIE I : ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES
Chapitre I : Le biogaz
Chapitre II : Le processus microbiologique de la fermentation
Chapitre III : Les procédés de biométhanisation
Chapitre IV : Le tabac
Chapitre V : La Cigarette
PARTIE II : ETUDES EXPERIMENTALES ET ETUDE DE PREFAISABILITE
Chapitre VI : Etude expérimentale
Chapitre VII : Etude de préfaisabilité
PARTIE III : ETUDES ECONOMIQUES ET APPROCHE ENVIRONNEMENTALE
Chapitre VIII : Etude économique
Chapitre IX : Approche environnementale
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
REFERENCES WEBIOGRAPHIQUES
ANNEXES
TABLE DES MATIERES
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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GLOSSAIRE
Biogaz : mélange gazeux combustible composé essentiellement de deux gaz :
CH4 et CO2 ;
Biomasse :
- masse des êtres vivants animaux ou végétaux se trouvant sur un écosystème ;
- Déchets de ces êtres ;
Biométhanisation ou fermentation méthanique : processus biochimique
complexe de dégradation de la biomasse en absence de l’oxygène ;
Digestat : résidu solide issu de la fermentation méthanique ;
Digesteur ou biodigesteur : enceinte hermétique souvent souterraine où se
déroule la biométhanisation ;
Effluent : liquide sortant du digesteur après la digestion de la biomasse ;
Inoculum ou Starter : source de bactéries ;
Temps de rétention : temps maximal que la biomasse doit passer à l’intérieur
d’un digesteur pour libérer le maximum de biogaz.
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LISTE DES ACRONYMES ET ABREVIATIONS
°C : Degré Celsius, unité de mesure de la température
AGV: Acide Gras Volatil
Ar : Ariary
atm: atmosphère, unité de mesure de pression
ATP: Adénosine Triphosphate
C/N: Carbone/ Azote
CNRIT: Centre Nationale de Recherches Industrielle et Technologiques
DCM: Dichlorométhane
ESPA : Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo
g : gramme, unité de mesure de la masse, sous-multiple du Kg
JIRAMA : Jiro sy Rano Malagasy
Kg : kilogramme, unité de mesure de la masse
KJ : Kilojoule, unité de mesure de l’énergie
KPa: Kilopascal, unité de mesure de pression
KWh : Kilowattheure, unité de mesure de l’énergie électrique
L: Litre, unité de mesure du volume
mg/ Nm3 : milligramme par normale mètre cube ; Teneur en composant par volume de
biogaz pris dans le CNTP
MO: Matière Organique
MS: Matières Sèches
MV: Matières Volatiles
PCI: Pouvoir Calorifique Inférieure
PCS: Pouvoir Calorifique Supérieure
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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PEHD: Polyéthylène Haute Densité
ppm : partie par million
PVC: Poly Vinyle Chloride
PVD : Pays en Voie de Développement
RMP: Red Mud Plastic
STEP: Station d’épuration
UASB: Upflow Anaerobic Sludge Blanket
UV: Ultra-violet
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LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 : La composition moyenne du biogaz 7
Tableau 2 : Les caractéristiques du biogaz 8
Tableau 3 : Equivalence du biogaz avec les autres combustibles 9
Tableau 4 : La teneur des substances inhibitrices 30
Tableau 5 : La composition chimique du tabac 42
Tableau 6 : Variation de la teneur en constituant selon le type de tabac 43
Tableau 7 : Les caractéristiques des goûts des cigarettes blondes 45
Tableau 8 : Récapitulation des valeurs obtenues des analyses du substrat 53
Tableau 9 : Les trois hypothèses de fermentation 55
Tableau 10 : Les résultats avec l’hypothèse n°1 56
Tableau 11 : Les résultats avec l’hypothèse n°2 58
Tableau 12 : Les résultats avec l’hypothèse n°3 60
Tableau 13 : Le temps de rétention, la productivité et le test des
hypothèses 63
Tableau 14 : La potentialité du site 65
Tableau 15 : Les formules pour dimensionner le digesteur 68
Tableau 16 : Les dimensions du digesteur 69
Tableau 17 : Les caractéristiques du générateur 73
Tableau 18 : L’investissement pour la construction du digesteur 79
Tableau 19 : Charges d’exploitation du biogaz 80
Tableau 20 : Détails du chiffre d’affaire de production de biogaz 80
Tableau 21 : Compte d’exploitation des activités de production de biogaz 81
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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Tableau 22 : Indicateurs de rentabilité de production de biogaz 82
Tableau 23 : Les investissements liés au projet d’électrification 83
Tableau 24 : Détails des chiffres d’affaire de production d’électricité 83
Tableau 25 : Compte d’exploitation de conversion énergétique 84
Tableau 26 : Indicateurs de rentabilité en fin de la 3ème Année 85
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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LISTE DES FIGURES :
Figure 1 : La réduction du CO2 en CH4 20
Figure 2 : Le processus de la fermentation méthanique 21
Figure 3 : L’influence de la température sur le temps de rétention 25
Figure 4 : Le digesteur CIEH 31
Figure 5 : La formulation d’une cigarette 47
Figure 6 : Evolution de la production journalière n°1 57
Figure 7 : Volume cumulé n°1 57
Figure 8 : Evolution de la production journalière n°2 59
Figure 9 : Volume cumulé n°2 59
Figure 10 : Evolution de la production journalière n°3 61
Figure 11 : Volume cumulé n°3 61
Figure 12 : Résultats après 30j de digestion 62
Figure 13 : Schéma du digesteur choisi 70
Figure 14 : Schéma des installations 72
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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LISTE DES PHOTOS
Photo 1 : Un agitateur 23
Photo 2 : Le tabac Virginie 36
Photo 3 : Le tabac d’Orient 36
Photo 4 : Le tabac Kentucky 36
Photo 5 : Le tabac Burley 36
Photo 6 : Le tabac Brun 36
Photo 7 : Le séchage au soleil 39
Photo 8 : Le séchage à l’air naturel 39
Photo 9 : Le séchage à l’air chaud 40
Photo 10 : Le séchage au feu 41
Photo 11 : Le déchet de tabac 48
Photo 12 : La poussière de tabac 50
Photo 13 : Les dispositifs expérimentaux 54
Photo 14 : Test de brûlage 64
Photo 15 : Le générateur fonctionnant au biogaz 73
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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LISTE DES ANNEXES :
ANNEXE I : Sources de biomasse a-1-
ANNEXE II : Rapport C/N des divers déchets a-2-
ANNEXE III : Les autres procédés de fermentation a-4-
ANNEXE IV : Digesteurs de type Chinois et Indien a-5-
ANNEXE V : Digesteur Plug-flow a-6-
ANNEXE VI : Tabac reconstitué a-7-
ANNEXE VII : Teneur en humidité et en MS a-8-
ANNEXE VIII : Teneur en MV a-9-
ANNEXE IX : Mesure du carbone organique a-10-
ANNEXE X : Mesure de l’azote organique a-11-
ANNEXE XI : Détermination du taux de nicotine a-17-
ANNEXE XII : La construction du biodigesteur a-18-
ANNEXE XIII : Tarifs du prix de l’électricité de la JIRAMA a-19-
ANNEXE XIV : Détails des calculs financiers a-20-
ANNEXE XV : Adaptation du moteur diesel avec le biogaz a-25-
INTRODUCTION
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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L’énergie est un des facteurs clés du développement. En effet, l’énergie
conditionne non seulement le développement de tous les secteurs de l’économie
et de la vie quotidienne : agriculture, industrie, éducation, distribution de l’eau,
santé … mais a également une influence sur l’orientation de ce développement.
La majorité des pays est actuellement durement confrontée à la contrainte
énergétique.
La production autonome de l’énergie est un des moyens permettant de
desserrer cette contrainte que ce soit dans le monde rural ou urbain, ou dans le
domaine domestique ou industriel.
Dans les PVD, l’électricité est fournie en grande quantité par les centrales
thermiques fonctionnant au gazole ou fioul lourd, dont les industries sont les gros
consommateurs. Ainsi, si le prix du baril de pétrole augmente, le prix de
l’électricité augmente aussi et affecte la production des diverses industries.
A Madagascar, la plupart des industries sont concentrées sur l’axe
TAMATAVE-ANTANANARIVO-ANTSIRABE. Ceci constitue la plus forte demande
en électricité. Pour combler le déficit des centrales hydro-électriques (Andekaleka,
Mandraka, Antelomita…), la JIRAMA vient de mettre en place des centrales
thermiques (Mandroseza et Ambohimanambola).
On assiste périodiquement à des coupures d’électricité à chaque
augmentation du prix de pétrole. Il est alors nécessaire de s’orienter vers les
énergies nouvelles et renouvelables comme : l’éolienne, le photovoltaïque, la
biomasse, l’hydroélectricité…
La Société X S.A utilise actuellement les déchets de tabac comme engrais,
mais est-ce la seule voie de valorisation ? C’est ainsi que nous avons été amené à
traiter le thème : « CONTRIBUTION A LA VALORISATION DE DECHETS DE
TABAC EN BIOGAZ »
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 3
Mais des questions se posent, à savoir :
Est-ce qu’on peut avoir du biogaz à partir de déchets de tabac ?
Est-ce que la nicotine présente dans le déchet, inhibe le processus de
fermentation ?
Pour cela, ce travail se divise en trois parties :
La première partie récapitule les connaissances bibliographiques sur
la technologie de fermentation anaérobie, puis sur le tabac et la
cigarette ;
Ensuite, l’étude expérimentale de production de biogaz à partir de
déchets de tabac et l’étude de préfaisabilité du projet soient
développés dans la deuxième partie ;
Enfin, la troisième et dernière partie traite l’évaluation économique et
l’approche environnementale du projet.
PARTIE I : ETUDES
BIBLIOGRAPHIQUES
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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Chapitre I : Le biogaz
I.1. Historique [5], [13], [21], [23], [24] :
Le père de la pile électrique, Volta, en 1776 à découvert que le gaz issu
des marais était combustible.
Mais, c’est en 1857 à Bombay en Inde, que la première installation destinée à
produire du gaz combustible à partir du fumier est mise en place.
En 1890, l’éclairage public de l’Angleterre fut alimenté par le gaz issu d’une station
d’épuration. A la fin du XIXe siècle, des fermenteurs rudimentaires apparurent
dans les zones côtières de la Chine du Sud. En 1920 Luo Guorui inventa et
construisit une citerne à biogaz d’une contenance de 8 m3.
Au milieu de la seconde guerre mondiale, les travaux de DUCHELIER et ISMAN
rendaient une application plus pratique, rationnelle et industrialisable de la filière
biogaz.
Les chocs pétroliers de la décennie 1970 ont entraînés de nombreuses
recherches sur la production de biogaz et sa valorisation. De nombreuses
installations ont été construites sur effluents industriels et sur effluents agricoles.
Le contre choc pétrolier a rendu obsolète la production de biogaz à des fins
énergétiques. C’est l’une des raisons de l’échec du « biogaz à la ferme » et de la
disparition de la centaine de digesteurs qui équipaient différents types d’élevages.
Au niveau industriel, la méthanisation a permis de répondre aux contraintes
environnementales de dépollution des effluents. Dans la plupart des cas les unités
de méthanisation ont continué à fonctionner pour dépolluer ; le biogaz est souvent
brûlé ou au pire, perdu à l’atmosphère.
Avec le contexte énergétique actuel, la valorisation du biogaz retrouve un intérêt
économique.
L’expérience en biogaz à Madagascar a commencé vers 1949, mais la
première unité pionnière, celle de Mahajanga fut constituée en 1921.
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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Une petite installation rustique réalisée par le Dr vétérinaire METZBERG,
chef de la circonscription vétérinaire d’Antsirabe, fonctionnait avec du gaz du
fumier issu de deux générateurs de service. Suite aux travaux menés par les
équipes de la cellule biogaz au CNRIT, depuis 1988, des installations de
production de biogaz sont opérationnelles dans plusieurs régions dont Behenjy,
Ambohidratrimo, Bevalala, Antsirabe, Toamasina, Tsiroanomandidy…
I.2. Définition [4], [9], [24] :
La biométhanisation, aussi appelée digestion anaérobie, fermentation
méthanique ou méthanisation consiste en la dégradation des MO par des
microorganismes. Cette dégradation conduit à la production du biométhane
oubiogaz lorsqu'elle survient dans un milieu clos dépourvu d'oxygène (à l'abri de
l'air) et sous certaines conditions et de résidu solide appelé digestat.
I.3. La composition du biogaz et ses caractéristiques [4], [9], [24] :
Le biogaz est un mélange gazeux composé essentiellement de méthane
combustible (50 à 90% suivant la nature des MO) et de gaz carbonique (inerte).
Le biométhane contient aussi d'autres gaz en faibles proportions tels que
l'hydrogène sulfuré (0,1 à 0,5%), l'azote (0,5 à 2%), l'hydrogène (1 à 3%), le
monoxyde de carbone (moins de 0,1%), le diazote, l'ammoniac, et d'autres
hydrocarbures de faible poids moléculaire.
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Le tableau suivant résume la composition moyenne du biogaz :
Tableau 1 : La composition moyenne du biogaz
Gaz Concentration en %
Méthane (CH4) 50-90
Dioxyde carbone (CO2) 10-40
Dihydrogène (H2) 1-3
Diazote (N2) 0,5 - 2
Hydrogène sulfuré (H2S) 0,1 - 0,5
Monoxyde de carbone (CO) 0,0-0,1
Source : [24]
La présence conjointe d'eau et d'hydrogène confère au biométhane un
caractère corrosif important. Le méthane pur est inodore.
Lorsque le biométhane n'est pas soumis à une phase d'épuration, il a une odeur
caractéristique « d'œuf pourri ». Cette odeur gênante est due principalement à la
présence de l'hydrogène sulfuré (H2S).
Le rapport entre le méthane et le dioxyde de carbone varie selon :
la nature du substrat
et les conditions de digestion (température, procédés,…)
Selon la variation des deux composés majoritaires, on a attribué le nom de :
- biogaz pauvre : CH4 < 50% et CO2 > 50%
- biogaz moyen : CH4≈ 65% et CO2≈ 35%
- biogaz riche : CH4 ≥ 80% et CO2 ≤ 20%
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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Le tableau suivant donne la caractéristique du biogaz selon sa teneur en
méthane :
Tableau 2: Les caractéristiques du biogaz en fonction de sa teneur en
méthane
Biogaz Pauvre Moyen Riche
Masse volumique (ρ) 1,340 1,150 0,960
Densité par rapport à l’air (d) 1,040 0,895 0,745
PCI (KJ/Kg) 13,385 20,276 29,895
PCS (KJ/Kg) 17,937 23,318 28,699
Dosage stœchiométrique (ds) 0,218 0,144 0,098
Source : [21]
Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) est un paramètre important de
classification des combustibles. Il désigne la quantité de chaleur dégagée par la
combustion complète d'une quantité de combustible considéré.
Dans le biogaz, le méthane est le composant majoritaire :
PCI biométhane = teneur en méthane (en %) x PCI méthane,
A la pression atmosphérique :
PCI biométhane = % en méthane x 9,965 kWh / m3
A 20°C et à 10 kPa de pression, la solubilité du méthane est faible: uniquement
3m3 de CH4 peuvent être dissous dans 100m3 d'eau. La masse moléculaire du
méthane est de 16,04 g/mole.
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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I.4. Equivalence du biogaz avec les autres combustibles [33]:
Pour un biogaz moyen, le taux de méthane est de 60% :
Tableau 3: Equivalence du biogaz avec les autres combustibles
Combustibles 1m3 de biogaz Combustibles 1m3 de biogaz
Alcool 1,1 L Energie
électrique 6,2 KWh
Butane 0,2 m3 Essence 0,73 L
Bois 2,7 Kg Fuel 0,65 L
Carbure de
calcium 2 Kg Gaz de ville 1,3 m3
Charbon 0,820 Kg Gaz naturel 0,6 m3
Charbon de bois 1,240 Kg Propane 0,3 m3
Source : [33]
I.5. Les utilisations du biogaz [15], [25] :
Lorsque le biogaz est produit dans un digesteur, il en est captif et donc
facilement récupérable et valorisable. Ce n'est pas le cas des décharges à ciel
ouvert qui émettent spontanément du biogaz et le relâche dans l'atmosphère. Or,
le méthane est un gaz à effet de serre 25 fois plus "nocif" que le gaz carbonique.
Une fois le biogaz capté ou produit, autant le valoriser le plus efficacement
possible.
Différentes voies sont envisageables : chaleur seule, électricité seule,
cogénération, carburant automobile, injection dans le réseau de gaz naturel (dans
les pays développés).
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 9
I.5.1. La production de chaleur
Brûler du biogaz sous chaudière ou en four est la voie de valorisation la
plus ancienne, la mieux maîtrisée et la plus courante.
On utilise des brûleurs spéciaux adaptés à la combustion du biogaz, alimentés
avec une surpression supérieure ou égale à 300 mbar. Ces brûleurs, qu'on trouve
couramment sur le marché, ont des injecteurs de plus grand diamètre que les
brûleurs à gaz habituels et leur fonctionnement est moins souple. Mais le
problème le plus délicat est celui que posent les risques éventuels de corrosion
dus à la présence conjointe de vapeur d'eau, d'hydrogène sulfuré et de composés
organo-halogénés. Dans ce cas, il est indispensable de prévoir des canalisations
en PEHD et de protéger le surpresseur (aubages en inox, corps revêtu de
matériau inerte), ainsi que les purges, les compteurs et les brûleurs.
I.5.2. Le biogaz carburant :
Pour cette application, les spécifications de pureté du gaz sont beaucoup
plus sévères que pour les précédentes, puisque le biogaz utilisable comme
carburant doit contenir un minimum de 96% de méthane. Il faut en outre que le
point de rosée soit inférieur à -20°C, ce qui correspond à une teneur en eau
inférieure à 15 mg/Nm3. D'autres exigences sont à respecter : teneur en H2S
inférieure à 100 mg/Nm3, en huile inférieure à 70- 200 ppm, en hydrocarbures
liquides inférieure à 1 %, avec une taille de poussières limitée à 40 microns.
I.5.3. La production d’électricité :
Le biogaz, comme toute énergie, peut se transformer en électricité. Le
biogaz doit cependant comporter au moins 40% de méthane, et avoir un débit
minimum de 500 m3/heure. La production d'électricité peut être couplée avec celle
de chaleur dans le cas de cogénération.
Le pouvoir calorifique d'un mètre cube de biogaz épuré (après traitement,
évacuation de l'eau, de l'acide sulfuré...) est équivalent à celui d'un litre de fioul
domestique.
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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La production d'électricité seule ou en cogénération peut s'effectuer avec
une chaudière au biogaz, suivie d'une turbine à vapeur. Cette voie très classique
pose peu de problèmes techniques et les contraintes d'épuration du biogaz sont
celles que réclament les chaudières.
L'autre voie, explorée depuis quelques années, consiste à installer des
moteurs à gaz, soit à étincelles, soit dual-fuel. Ces derniers sont plus lents, plus
souples, plus durables, mais ils sont aussi environ deux fois plus chers ; les
moteurs exigent un biogaz contenant au moins 40% de méthane.
Les possibilités de valorisation du biogaz dépendent de la nature du
gisement et des débouchés pour l’énergie. Les centres de stockage de déchets
s’orientent majoritairement vers la production d’électricité seule du fait de
l’absence de débouchés thermiques locaux. Le biogaz issu d’effluents industriels
quant à lui, est très souvent utilisé directement pour les besoins de
l’établissement. La situation est plus contrastée pour les unités de méthanisation
des biodéchets ou des déjections d’élevage, qui ont plus fréquemment recours à
la cogénération.
I.5.4. Autres utilisations :
Les réfrigérateurs fonctionnant au pétrole peuvent être alimentés au biogaz,
en modifiant le diamètre du brûleur. Pour l’éclairage, le biogaz est brûlé dans les
lampes à manchons.
I.5.5. Le digestat :
Le digestat est le résidu de la fermentation méthanique. C’est une source
de matière organique non digéré comme la lignine, des matières minérales telles
que l’azote, le phosphore, le potassium et l’eau.
C’est un fertilisant car la fraction digéré organique est transformé en gaz et par-
contre la partie ligneuse contribue à la formation de l’humus.
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 11
I.6. Epuration du biogaz [10], [12], [21], [22], [29] :
Avant d’utiliser le biogaz, il est nécessaire de l’épurer ; soit par voies
physiques soit par voies chimiques.
Cette épuration élimine principalement le gaz carbonique (CO2) et le sulfure
d'hydrogène (H2S). Le gaz carbonique étant non combustible, le biométhane non
épuré est moins calorigène (18 à 25MJ/m3 selon la proportion de CO2) que le CH4
épuré (35,5 MJ/m3). L'élimination du gaz carbonique permet également de
diminuer le volume de stockage du gaz. L'élimination des composés sulfurés,
surtout le sulfure d'hydrogène (H2S), permet une désodorisation du biométhane
qui ne sent plus l'œuf pourri. De plus, les risques de corrosion des métaux sont
réduits.
I.6.1. La biofiltration :
Cette technique met en jeu une dégradation biologique par des micro-
organismes aérobies fixés sur un support poreux. Mais elle n'est pas du tout
appropriée parce qu'elle entraine à la fois une dégradation de l'hydrogène sulfuré
et du méthane.
I.6.2. L’adsorption :
Cette technique qui est simple à mettre en place, permet un transfert de la
phase gazeuse vers la surface solide d'un adsorbant. Sa maintenance est facile.
Mais elle exige un remplacement de l'adsorbant après chaque opération et un
traitement minutieux de l'adsorbant usagé.
I.6.3. L’absorption :
L'épuration s'effectue par l'intermédiaire d'un transfert entre la phase
gazeuse (le biogaz) et une phase liquide (la solution aqueuse). La phase liquide
peut être soit une solution au chlorure de calcium (CaCl2), soit une solution de
soude (NaOH), soit simplement une solution d'eau (H2O). L'élimination est rendue
possible puisque le gaz carbonique (CO2) est très soluble (878 cm3 /L à 20°C) au
contraire du méthane (CH4) (34 cm3 /L à 20°C).
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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L'hydrogène sulfuré (H2S) est encore plus soluble que le CO2. Cette
technique est très courante, cependant elle exige un traitement de l'effluent
liquide.
I.6.4. L’épuration par circulation du biométhane sur une
masse de limaille de fer :
L'hydrogène sulfuré (H2S) est piégé par passage du gaz sur de la limaille de
fer (monoxyde de fer: FeO ou trioxyde de fer : Fe2O3) selon les réactions
chimiques suivantes :
Epuration :
Fe2O3 + 3H2S Fe2S3 + 3H2O
Régénération :
2Fe2S3 + 3O2 2Fe2O3 + 3S2
Un volume d'au moins 0,0352 m3 de limaille de fer permet d'éliminer 3,7 kg
de sulfure.
Durant la phase d'épuration, à une teneur d'environ 0,2 % d'hydrogène
sulfuré (H2S) présent dans le biométhane, ce même volume de fer permet
d'éliminer tout l'hydrogène sulfuré dans un volume d'environ 2500 m3 de
biométhane. Durant la phase de régénération, cette limaille de fer est exposée à
l'air afin de décomposer le sulfure de fer (Fe2S3) formé en oxyde de fer (Fe2O3) et
en sulfure élémentaire (S2). Cette technique est simple à mettre en place mais
présente des problèmes de sécurité et de saturation du produit ferreux.
Des récentes études montrent que le fer peut être remplacé par ses
minerais naturels comme l’Ankaratrite, à teneur en Fe2O3 de 28,62%.
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 13
I.6.5. La cryo-condensation :
L'épuration se fait par transformation des composés volatils en liquide ou
solide suite à un refroidissement du gaz (abaissement de la température). Cette
technique est lourde à mettre en place.
I.6.6. La séparation membranaire :
Le biométhane est séparé de ses impuretés par circulation à travers une
membrane poreuse. Cette technique a l'avantage d'être propre, simple et
compact.
I.6.7. La condensation le long de la conduite :
Cette technique permet de séparer la vapeur d’eau, mais aussi les
particules et la sulfure d’hydrogène H2S piégés dans les condensats.
Il s’agit de la technique d’élimination de l’eau la plus simple : l’eau se
condense lors du transport du biogaz dans les tuyaux avec une pente de 1 %.
Des séparateurs diphasiques (pots à condensats) doivent être placés en
chaque point bas de la tuyauterie pour récupérer les condensats.
Les vidanges et l’entretien des conduites et des séparateurs doivent être
faits régulièrement.
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Chapitre II : Le processus microbiologique de la
biométhanisation
II.1. Métabolisme de fermentation méthanique [1], [2], [3], [9], [10], [28],
[29] :
La production du biogaz se déroule suivant des processus microbiologiques
et biochimiques complexes.
Les MO contiennent principalement des glucides, des lipides, des protéines
auxquels s'ajoutent des composés plus ou moins dégradables comme la lignine.
Ces éléments possèdent des teneurs variables en Carbone (C), en Hydrogène
(H), en Oxygène (O), en azote (N) dont dépendent directement la quantité et la
composition du biométhane.
Le processus microbiologique de la production de biométhane peut se résumer en
quatre (4) étapes : l'hydrolyse, l'acidogenèse, l'acetogenèse, la methanogenèse.
Durant tout ce processus, des bactéries spécifiques interviennent à chaque étape,
exactement comme pour la digestion des aliments.
II.1.1. Etape 1 : Hydrolyse
La première étape est l’hydrolyse de la matière organique, présente sous
forme de grosses molécules, solubles ou non, comme les protéines, les graisses,
les polysaccharides (cellulose, amidon).
Ces polymères sont tout d’abord cassés en monomères, briques élémentaires de
la matière organique comme les acides aminés, les acides gras et les sucres
simples.
Les bactéries impliquées dans la phase d’hydrolyse sont abondantes dans la
nature mais elles ne constituent pas un groupe homogène.
Les bactéries hydrolytiques telles que les bactéries cellulolytiques, protéolytiques,
lipolytiques, peuvent être anaérobies stricts ou facultatifs et elles sont sensibles à
la variation du pH du milieu fermentaire. Ces bactéries sécrètent toutes les
enzymes utilisées pendant le métabolisme réactionnel de l’étape hydrolytique. Le
pH d’activité optimale de leurs enzymes se situe autour de 7,4.
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Parmi ces bactéries il y a : Bacteroïdes sp, Ruminococcus sp, Clostridium
thermocellum.
C’est l’étape la plus longue et limitante du processus de biométhanisation.
Hydrolyse des glucides :
Les glucides simples sont faciles à digérer et à transformer par l’action des
bactéries hydrolytiques. Les glucides complexes sont difficiles à hydrolyser à
cause des liaisons osidiques. Cependant, les composés cellulosiques constituent
l’essentiel de la matière organique de fermentation méthanique.
Pour dégrader la cellulose, les bactéries excrètent essentiellement deux sortes
d’enzymes: l’endo-β-1,4glucanases et l’exo-β-1,4glucanases. Ces enzymes
dépolymérisent la cellulose et la transforment en glucose, cellobiose et dextrine.
Lorsque les produits d’hydrolyse de la cellulose s’accumulent, l’activité des
cellulases est inhibée à cause de la variation brusque du pH du milieu fermentaire.
Alors, pour un substrat riche en cellulose, l’étape hydrolytique constitue souvent le
premier facteur limitant de la fermentation méthanique. La cellulose peut être
protégée par la lignine, qui limite alors son accessibilité par les cellulases. Donc,
plus un substrat est riche en lignine, moins elle est biodégradable.
La faible performance des cellulases en anaérobiose et les températures
basses peuvent aussi affecter significativement l’étape hydrolytique.
Hydrolyse des protides :
Les protides sont des composés organiques portant des atomes d’azote.
Les protéines sont dégradées en peptides puis en acides aminés qui sont
essentiellement utilisés pour la synthèse cellulaire.
L’excédent d’aminoacides est métabolisé par désamination avec production
d’acides organiques, de CO2 et de NH3.
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Hydrolyse des lipides :
Les composés lipidiques dans les bioréacteurs sont le plus souvent sous
forme de triglycérides. Sous l’action des lipases exocellulaires bactériennes, les
lipides sont hydrolysés en acides gras à longues chaînes et glycérol.
Les acides gras libérés par les lipases sont ainsi dégradés par voie acétogène
couplée à la production obligée d’hydrogène.
L’activité optimale des lipases se situe autour du pH neutre. En milieu acide,
l’activité lipolytique des bactéries anaérobies strictes ou facultatives disparaît.
II.1.2. Etape 2 : Acidogenèse
Lors de cette phase, les bactéries fermentaires transforment les matières
organiques simples (monomères) issues de l’étape hydrolytique en AGV (acétate,
propionate, butyrate…), en acides organiques (lactate, succinate…), en alcools
(méthanol, éthanol…), en gaz carbonique et hydrogène.
L’acidogénèse est une étape rapide.
Cette dégradation de la matière organique complexe est souvent une étape
freinant le processus global de biométhanisation, en particulier dans le cas de
déchets solides ou en suspension, difficilement hydrolysables.
Les bactéries impliquées dans l’acidogénèse sont les plus acidophiles des
microorganismes de la digestion anaérobie pouvant se développer jusqu’à pH 5.
Les bactéries acidogènes constituent des groupes physiologiques variés.
Elles sont généralement anaérobies strictes, surtout les genres Clostridium
mais elles peuvent être aéro-anaérobies facultatives pour certaines, comme les
Streptocoques et les Entérobactéries.
Ce sont, de loin, les organismes les plus connus et les plus facilement
isolables et identifiables en culture pure. Elles comprennent alors des formes en
bâtonnets, Gram négatives, mobiles, sporulées (Clostridium) ou non sporulées
(bifido-bacterium).
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Les bactéries acidogènes appartiennent à des familles très différentes selon
les niches écologiques où elles ont été isolées. Ainsi, les bactéries de la famille
des entérobactéries sont dominantes dans les lisiers de porc, d’autres appartenant
aux genres Peptostreptococcus, Propionibacterium, Micrococcus et
Clostridium sont couramment isolées dans les digesteurs.
La majorité des recherches sur le métabolisme, la biochimie et la génétique
des bactéries ont été réalisées en utilisant cette classe de bactérie acidogène.
II.1.3. Etape 3 : Acétogenèse
Les bactéries acétogènes transforment les divers acides et autres
produits issus de l’étape précédente en précurseurs directs du méthane: acide
acétique CH3COOH, dioxyde de carbone CO2 et dihydrogène H2. Cependant,
l’acétate occupe une place importante dans la digestion anaérobique de la MO. Il
est produit principalement par la fermentation des sucres tels que le fructose ou le
glucose et aussi synthétisé à partir de l’hydrogène H2 et le dioxyde de carbone
CO2 par les bactéries homoacétogènes. D’ailleurs, il y a aussi de l’acétate qui est
synthétisé à partir des métabolites réduits (lactate, butyrate, propionate,
éthanol….) des étapes précédentes par les bactéries acétogènes dites
syntrophiques. Voici les réactions de transformation de l’acétate à partir de :
Ethanol: 2CH3-CH2OH + CO2 → CH4 + 2CH3COOH
Propionate: 4CH3-CH2-COOH + 2H2O → 3CH4 + CO2 + 4CH3-COOH
Butyrate: 2CH3-(CH2)2-COOH + 2H2O + CO2 → 4CH3-COOH + CH4
Toutes ces réactions permettent d’éviter une accumulation des AGV, lesquels à
des concentrations trop élevées, deviennent des inhibiteurs de la méthanogenèse.
Cette phase est réalisée par les bactéries acétogènes comme Pelobacter,
carbinolicus, Synthrophobacter wolinii, Synthrophomonas wolfei,
Clostridium thermoaceticum, Clostridium jormicoaceticum, Methanobacillus
omelianskii, Desulfovibrio ...
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Le métabolisme de ces bactéries n'est cependant possible que si l'hydrogène (H2)
produit (y compris celui de l'acidogénèse) est éliminé au fur et à mesure.
Par contre, la pression partielle du milieu en hydrogène (H2) doit toujours être
comprise entre 10 -6 atm et 10-4 atm (10-6 atm. < Pression d'hydrogène < 10 - 4
atm) car il faut un minimum d'hydrogène pour réaliser la réduction du gaz
carbonique en méthane.
II.1.4. Etape 4 : Méthanogenèse
A cette dernière étape, l'hydrogène est normalement utilisé par les
bactéries méthanogènes hydrogénophiles (Methanobrevibacter et
Methanobacterium etc.) pour réduire le CO2 en CH4 tandis que l'acétate est
transformé par les bactéries méthanogènes acétoclastes (Methanosarcina,
Methanococcus, Methanosaetaetc.) en CH4.
La synthèse du méthane à partir de la réduction d’hydrogène et de gaz carbonique
est réalisée par la plupart des bactéries méthanogènes. Environ 30% du méthane
produit par un digesteur provient de cette réduction. Certaines espèces sont
incapables de réaliser cette réaction mais elles synthétisent du méthane à partir
de l’acétate. Dans les digesteurs ,70% du méthane produit proviennent de
l’acétate. Le formate est aussi un substrat important de la flore méthanogène.
Environ 50% des microorganismes producteurs de méthane peuvent l’utiliser pour
croître.
Voici les réactions de synthèse de méthane à partir de :
Hydrogène et gaz carbonique : CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
Acétate: CH3COOH → CH4 + CO2
Formiate: 2HCOOH → CH4 + CO2
4HCOOH + CO2 → CH4 + 4CO2 + 2H2O
Aussi d'autres voies intermédiaires de production de méthane se produisent
simultanément. Il faut rappeler que toutes les bactéries méthanogènes vivent en
milieu dépourvu strictement d'air et ont besoin d'une quantité spécifique d'azote.
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La réduction du CO2 :
La réduction du CO2 par l’hydrogène H2 implique un formyle-
méthanofurane, un coenzyme M et un équipement enzymatique qui n’est pas
parfaitement élucidé.
La première étape de la réduction du CO2 est la formation du méthyle-coenzyme
M en présence d’ATP, de Mg2+ et d’hydrogène H2 avec le cobalamine (vitamine
B12). La réduction de ce complexe, catalysée par la méthyle-coenzyme M-
réductase, produit une molécule de méthane.
La figure suivante montre la réduction du CO2 en méthane CH4 :
Figure 1: La réduction du CO2 en CH4
Source : [7]
La décarboxylation de l’acétate :
Le méthane produit à partir de l’acétate provient exclusivement du
groupe méthyle. La décarboxylation de l’acétate en méthane fait intervenir la CO-
déshydrogénase, l’acétylcoenzyme A et le coenzyme M. La conversion de
l’acétate en méthane nécessite une faible pression partielle d’H2 et elle est
stimulée par la présence de CO2 dans le milieu fermentaire.
La réaction se résume ainsi :
CH3COOH CH4 + CO2
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La figure suivante résume la fermentation méthanique :
Figure 2: Le processus de la fermentation méthanique
Acid
ogén
èse
Acet
ogen
èse
Mét
hano
genè
se
CH4 + CO2 (Biogaz)
digestat
Acétate CO2+ H2
Bactéries acétogènes
Bactéries méthanogènes
Hydrogénophiles
Bactéries méthanogènes Acétoclastes
70% 30%
75% Composés neutres :
Alcools, aldéhydes, glycérol
AGV : formiate, acétate… Acides organiques : lactate, succinate…
Bactéries fermentatives
MO insolubles
Bactéries hydrolytiques
Composés organiques
solubles
5% 20%
Hyd
roly
se
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II.2. Les conditions nécessaires à la fermentation méthanique [4],
[7], [13], [14], [19]:
La production de biométhane exige un milieu anaérobiose, une certaine
concentration en ammoniac et un rapport C/N optimal. Elle exige aussi des
conditions particulières de température et de potentiel d'oxydoréduction, de pH et
une absence de substances inhibitrices.
II.2.1. Condition anaérobiose et potentiel d’oxydoréduction
L'anaérobiose est une condition sine qua non au développement, à la reproduction
et au métabolisme des bactéries méthanogènes. La production de méthane n'est
possible que dans un milieu strictement dépourvu d'oxygène.
La décomposition des matières organiques en présence d'oxygène produit par
contre du dioxyde de carbone ; il est donc primordial que le milieu de fermentation
des substrats soit à l'abri de l'air et de l'eau ou eau de pluie (fortement oxygéné),
car même de simples traces de dioxygène dans le milieu vont tuer les bactéries
méthanogènes.
Le potentiel d'oxydoréduction du milieu doit être de l'ordre de - 300 mV.
II.2.2. L'agitation des substrats dans le digesteur
L'agitation n'est pas nécessaire pour que la fermentation méthanique s'installe ;
néanmoins, elle permet d'homogénéiser les conditions du milieu et de maîtriser le
transfert des matières. Aussi elle évite la formation non contrôlée des volumes
morts et des court-circuits à l'intérieur du réacteur.
D'une part, elle optimise l'instauration et le réensemencement de la flore
microbienne anaérobie. D'autre part, elle assure une multiplication des contacts
entre le substrat à digérer et la flore microbienne fixée.
Elle évite les sédimentations incontrôlées responsables de la diminution du
volume utile du réacteur. Enfin, elle favorise les transferts thermiques, ioniques et
métaboliques ; en particulier elle facilite la dégazéification des boues en
accélérant la coalescence des bulles produites à la surface des agrégats de
matière organique et de micro-organismes.
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Toutefois, l’agitation peut s'effectuer manuellement, par des équipements
mécaniques, ou hydrauliques ou encore par recirculation d'une partie du
biométhane. La photo suivante donne la vue à l’intérieure d’un digesteur muni d’un
agitateur :
Photo 1: Un agitateur
Source : [35]
II.2.3. La température des substrats dans le digesteur
La production biologique de méthane est optimale dans trois régimes de
température :
Haute température ou digestion thermophile : [45°C à 65°C] ;
Moyenne température ou digestion mésophile : [25°C à 45°C];
Température normale ou digestion psychrophile : [15°C à
25°C].
Si le climat est défavorable, les réacteurs peuvent nécessiter un chauffage.
L'apport de chaleur dans la cuve de fermentation est très important car elle va
contribuer à stimuler l'activité des micro-organismes, à stériliser le substrat
(destruction d'agents pathogènes nocifs), à améliorer la biodégradabilité des
matières organiques, donc à accélérer la fermentation méthanique et la production
de biométhane. Il est nécessaire de tenir compte des données météorologiques
de la région.
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Le chauffage se réalise avec l'emploi d'un échangeur de chaleur externe
ou interne; par circulation d'eau chaude dans une jaquette périphérique, soit par
une paroi chauffante ou soit par un serpentin immergé dans le fermenteur ou toute
autre technique adéquate. En plus, la conservation de la chaleur au sein des
digesteurs requiert une isolation thermique convenable.
L'isolation permet de maintenir une température relativement stable parce qu'un
brusque changement de température supérieur à 3°C peut bloquer la production
de biométhane.
Les matériaux d'isolation peuvent être d'origine synthétique (polyuréthane
expansé, polystyrène expansé ou extrudé, etc.) ou d'origine naturelle (laine de
verre, laine de roche, terre, argile granulaire expansée, venniculite. etc.).
La digestion thermophile :
La haute température accélère la dégradation des matières organiques
par les microorganismes et conduit à la production de gros volumes de
biométhane. Dans ce cas, le temps de séjour des substrats est moins long, en
moyenne 3 à 6 jours et de ce fait la cuve de fermentation peut avoir un volume
réduit par rapport à d'autres types de cuves. Par contre, ce digesteur consomme
parfois beaucoup plus d'énergie pour maintenir la température de fonctionnement
requise et peut être plus sensible aux variations de températures. Mais Il n'en
reste pas moins qu'ils éliminent plus efficacement les organismes pathogènes.
La digestion mésophile :
Du fait que les systèmes mésophiles opèrent à des températures plus
basses, les microorganismes sont plus lents à dégrader les matières organiques,
ce qui se traduit par un temps de séjour en digesteur plus long: de 15 à 20 jours
ou plus. Par contre, les systèmes mésophiles semblent plus robustes par rapport
aux variations de températures.
La digestion psychrophile :
Ces systèmes sont très stables et faciles à gérer. Toutefois, ils sont
moins attrayants parce que le rendement net en termes de production de
biométhane et d'élimination des agents pathogènes semble moins grand que celui
des autres systèmes.
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La figure ci-dessous montre l’influence de la température sur le temps de
rétention :
Figure 3: L'influence de la température sur le temps de rétention
Source : [36]
II.2.4. Le potentiel hydrogène :
Le milieu de fermentation méthanique exige un pH neutre ou légèrement
alcalin. Le pH idéal se situe entre 7 et 8,5. Cette plage favorise une croissance
optimum des microorganismes. Aussi, si le pouvoir tampon du milieu en
fermentation est insuffisant, il peut résulter une acidification du milieu par
accumulation d'acides gras volatils.
Cette acidification bloque la production de méthane. Pour un déroulement normal
du processus de fermentation, la concentration en acide volatil mesuré par l'acide
acétique doit être inférieure à 2000 ppm.
II.2.5. La teneur en matière sèche ou MS :
Les matières premières doivent renfermer au moins 10% de Matière Sèche
(M.S.), et cela est possible grâce à l'apport de matières organiques riches en
matières grasses (graisses végétales, tontes de pelouses, déchets végétaux,
etc.). L'apport de celles-ci va non seulement favoriser la production de méthane et
de surcroît réduire la teneur en soufre du biométhane.
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II.2.6. Le rapport C/N des matières organiques :
Les matières premières doivent comporter des teneurs spécifiques en
carbone, en azote et en sels minéraux. Le rapport carbone/ azote (C/N) est un
paramètre très important et Il doit se maintenir au niveau optimum de 30/1; c'est-à-
dire 30 parties de carbone par partie d'azote, et il ne doit jamais être supérieur à
35/1.
Si le rapport C/N devient élevé, la production de biométhane se réduit à
cause du manque d’azote, aussi si ce rapport est trop bas, la quantité excessive
d'ammoniac peut devenir toxique à la survie des microorganismes anaérobies.
Ce rapport varie également selon le type de déchet organique (Annexe II).
Alors pour optimiser la production de biométhane, il est nécessaire que les
matières premières pauvres en carbone soient combinées avec les matières
riches en azote, et vice-versa afin de conserver un rapport C/N adéquat.
Quel que soit le type de déchet organique pris isolément, il n'est pas
capable de respecter tous les critères. C'est pour cette raison que pour optimiser
la production de biométhane, il serait intéressant de pratiquer une co-digestion
c'est-à-dire l'apport d'autres déchets organiques (tels que des déchets
domestiques, des déchets de jardin, du fumier de bovin, du fumier de cheval etc.
qui sont largement disponibles).
II.2.7. Taux de Charges en matières organiques
Il est important d'ajuster correctement la quantité de matières organiques
introduite dans le digesteur. S'il y a une surcharge du digesteur, il se produit très
rapidement une accumulation d'acides organiques qui inhibe la méthanogenèse,
alors la digestion se limite simplement à l'acidification des substrats. Le taux de
charge peut être calculé exactement et il dépend du débit volumique de l'influent,
de la charge initiale et du volume utile du digesteur.
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II.2.8. Taux de dilution des matières premières dans l’eau :
Le mélange de produits organiques admis dans le digesteur doit être sous
forme pâteuse (boue) et homogène avec une concentration de 1 kg de matière
organique par litre d'eau (1 kg de M.O. / 1L d'eau), ou bien avec une teneur en
eau telle que le poids de l'eau représente 90% du poids des matières premières
solides. L'excès, ou le défaut d'eau sont également préjudiciables, car un excès
d'eau entraîne la chute de la production par unité de volume dans la cuve de
fermentation, à l'inverse un manque d'eau provoque l'accumulation d'acide
acétique, et peut freiner le processus de la biométhanisation.
II.2.9. Durée d'un cycle de production de biométhane :
Dans la réalité, les différentes étapes de la biométhanisation (hydrolyse,
acidogénèse, acetogenèse et méthanogenèse) peuvent se chevaucher et la durée
de chaque étape reste difficile à estimer par une analyse analytique, encore moins
le temps de séjour des matières dans le digesteur ou bien la durée d'un cycle de
transformation des matières organiques en biométhane. Toutefois, le temps de
séjour dépend du type de digesteur, du taux de biodégradabilité des matières
organiques, du procédé adopté (discontinu ou continu), de la température de
fonctionnement. Il dépend aussi des objectifs que l'on se donne, soit une
productivité maximale en méthane, soit une conversion complète du carbone
organique et stabilisation des boues digérées. Certaines données empiriques
indiquent les temps de séjour (durée d'un cycle) de biométhanisation :
A titre indicatif, la durée de mise en route d'un cycle mésophile (en
moyenne à 35°C) varie entre cinq et six semaines. Tout ce temps permet de
récupérer 80% du méthane potentiel. Dès sa mise en route, la méthanisation
continue aussi longtemps que les matières organiques sont chargées dans le
digesteur.
Néanmoins, ce cycle peut être considérablement raccourci soit en
pratiquant une pré-fermentation aérobie, soit en inoculant avec des boues
digérées, soit en utilisant un procédé continu ou en fonctionnant avec un digesteur
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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thermophile. Par ailleurs, il faut noter que pour un digesteur mésophile, l'on ne
peut pas descendre en dessous de 7 à 10 jours.
Egalement, la biométhanisation mésophile (25°C à 45°C) d'un lisier de
bovins contenant 10 % de matière sèche peut se réaliser en 20 jours.
Cependant, une biométhanisation thermophile (45°C à 65°C) nécessite
seulement 3 à 6 jours si la matière sèche est comprise entre 6 et 12%.
II.2.10. Emploi de levains ou inoculum (ensemencement) et
prétraitement des substrats :
La toute première mise en route d'un procédé de biométhanisation peut être
extrêmement longue (plusieurs semaines pour les digesteurs mésophiles, et plus
pour les digesteurs psychrophiles). Ce long temps de latence peut s'expliquer par
des taux de croissance très faibles des bactéries méthanogènes et qui de surcroît,
sont substituées par des bactéries fermentaires productrices de gaz carbonique,
d'hydrogène et d'acétates. Afin de réduire ce temps non productif, il s'avère
judicieux d'introduire des levains dans les matières organiques fraiches avant leur
admission dans le digesteur. Ces levains peuvent être du digestat collecté au
niveau de digesteurs déjà en activité.
Par ailleurs, pour améliorer la production de biométhane, un prétraitement
thermique des matières organiques avant l'admission dans le digesteur est utile.
Ce prétraitement permet d'augmenter la biodégradabilité des fractions résistantes
telles que les composés lignocellulosiques.
Les meilleurs résultats peuvent s'obtenir par chauffage d'une heure, à 130°C en
milieu acide (pH= 1) ou à 200°C en milieu alcalin (pH = 13).
Le premier cas entraine une solubilisation maximale de la cellulose libre ou liée; le
second cas entraine quant à lui une solubilisation maximale de la lignine.
Toutefois cette méthode peut nécessiter des dépenses énergétiques importantes
tant en produits chimiques qu'en chauffage.
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II.2.11. L'élimination des substances inhibitrices à la
biométhanisation
L'absence de substances inhibitrices à la fermentation est de rigueur.
L'utilisation massive d'antibiotiques ou de certains oligo-éléments dans
l'alimentation animale n'est pas favorable à la synthèse du biométhane.
Egalement, l'excès de sels conduisant à une conductivité élevée ou la présence
de certains métaux lourds toxiques cause des dysfonctionnements dans le
processus de biométhanisation.
Par exemple, la présence de sulfate (SO42-) au-delà de la concentration
admissible dans le milieu peut modifier le flux du substrat disponible pour les
bactéries méthanogènes.
En effet, des bactéries sulfato-réducteurs peuvent oxyder une partie du substrat
(principalement par l'intermédiaire de l'hydrogène H2) en utilisant le sulfate (SO42-)
comme accepteur d'électrons, et dans une telle situation, le substrat est converti
en sulfure (S 2-) plutôt qu'en méthane, surtout si le pH du milieu est acide.
Egalement, l'azote ammoniacal (NH3) peut être quant à lui un facteur de
stimulation biochimique à faible concentration, mais devient gravement inhibiteur
de la méthanogénèse au-delà de 3g/L (rapport C/N). Même si certaines
expériences mettent en évidence une adaptation des micro-organismes jusqu'à 5
g/L d'azote ammoniacal et qu'il semble que ce soit la forme non ionisée qui soit
toxique. En somme, toutes ces substances doivent être totalement absentes, ou
diluées par addition d'eau.
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Le tableau suivant donne la teneur des substances inhibitrices :
Tableau 4: la teneur des substances inhibitrices
Ion sulfate SO42- 5000 ppm
Ammoniac NH3 1500-3000 mg/L
Chlorure de sodium NaCl 40000 ppm
Cuivre Cu 100 mg/L
Chrome Cr 200 mg/L
Nickel Ni 200-500 mg/L
Cyanure CN- moins de 25 mg/L
ABS (détergent) 20-40 ppm
Sodium Na 3500-5500 mg/L
Potassium K 2500-4500 mg/L
Calcium Ca 2500-4500 mg/L
Magnésium Mg 1000-1500 mg/L
Source : [36]
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Chapitre III : Les procédés de biométhanisation
Selon le mode de chargement et de déchargement du substrat, il y a:
Le procédé discontinu
Le procédé continu
III.1. Le procédé discontinu [1], [13], [19] :
Dans cette gamme, ils existent 2 principaux types de digesteur :
o Le réacteur Ducellier-Isman ;
o Le digesteur du CIEH ou «puits»;
Dans un procédé discontinu, le digesteur est chargé en une seule fois et vidé
lorsque la production de biogaz cesse, suite à l’épuisement des matières
organiques biodégradables. Ces systèmes conviennent bien pour traiter des
déchets solides, jusqu’à 15% de matière sèche totale, comme les fumiers, les
résidus agricoles ou les ordures ménagères.
Ce sont des digesteurs rustiques, qui ont l’avantage d’une grande simplicité
technique et dont le contenu n’est pas obligatoirement chauffé ni mélangé, mais
leur productivité en biogaz reste faible et variable au cours du temps.
Ci-dessous, la figure d’un digesteur type CIEH
Figure 4 : Le digesteur CIEH
Source : [36]
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Dans les grandes installations, la production de biogaz est assurée par plusieurs
cuves en parallèle.
III.2. Le procédé continu [1], [13], [19]:
L’alimentation en substrat se fait sans interruption ou d’une manière
périodique. Dans ce cas, le substrat est introduit de manière continue, le volume
du milieu restant constant et la partie digérée étant évacuée au fur et à mesure de
l’introduction du substrat dans le digesteur. La production de gaz est régulière.
Il est destiné à des substrats de concentration en matière sèche inférieure à 10 %.
Il est préférable d’adopter ce procédé pour les déchets liquides comme les boues
de STEP.
Le temps de séjour optimal du substrat est de 10 jours dans la zone mésophile.
Ce système devra être contrôlé rigoureusement pour éviter la formation de croûte
et des poches acides.
III.3. Les autres procédés [13], [35]:
D’autres procédés ont vu le jour pendant le passage du discontinu au continu, tel
que :
Le système bi-étagé est établi en fonction des phases de la fermentation
méthanique. Le fermenteur est composé de deux étages, l’un fonctionnant
pour l’acidogenèse et l’autre pour la méthanogenèse (Annexe III);
Le fermenteur à écoulement en piston est composé d’entités isolées les
unes des autres. Chaque entité se comporte comme un réacteur
discontinu. Le fluide réactionnel subit une transformation continue le long
de son cheminement dans le réacteur. En d’autres termes, il existe un
gradient de concentration tout le long du réacteur (Annexe III);
Le fermenteur à filtre anaérobie est associé à un procédé consistant à
placer dans le fermenteur des supports solides pour la rétention des
microorganismes (Annexe III);
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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Le fermenteur à lit de boue expansée UASB associe un décanteur qui
récupère les microorganismes qui se sont agglomérés en flocons (Annexe
III).
III.4. Les biodigesteurs [24], [27], [34]:
Un biodigesteur est le réacteur où il y a lieu le processus de
biométhanisation.Le réacteur peut être en dur, en métal ou en plastique …
Pour les digesteurs continus ; ils sont munis de canaux d’entrée et de sortie du
substrat, d’un mélangeur mécanique ou recirculation d’une partie de gaz (si
nécessaire), d’un chauffage interne (par contact avec des faisceaux tubulaires),
d’un gazomètre qui sert à stocker le gaz (en tôle ou en plastique).
Ils existent plusieurs modèles de digesteurs selon le mode d’alimentation, la
nature du substrat, le climat, le budget …
III.4.1. Le modèle chinois ou dôme fixe (Annexe IV) :
Vulgarisé en Chine, il est constitué d’une partie inférieure cylindrique et
d’une partie supérieure sous forme de voûte sphérique ou hémisphérique pour le
stockage du gaz. Il est fait en béton ou en brique cuite induite : une durée de vie
assez longue ; le coût est modéré et le problème de corrosion est remédié.
Son installation est souterraine, ce qui est préférable pour les régions froides.
Le problème se situe au niveau du stockage du gaz qui tend à fissurer la paroi en
cas de surpression.
III.4.2. Le modèle indien ou cloche flottante (Annexe IV) :
L’installation est composée d’un digesteur cylindrique enterré fait en brique
recouverte de ciment, et d’un gazomètre mobile métallique ou en ferrociment ou
en plastique renforcé.
Le mouvement du gazomètre témoigne de l’existence de gaz et en fonction
de la consommation, ceci a pour avantage de briser les croûtes superficielles.
Le gazomètre n’est pas isolé thermiquement, la variation brusque de la
température risquerait d’inhiber la méthanisation.
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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III.4.3. Le digesteur hybride indo-chinois :
Le modèle associe les avantages des deux digesteurs précédents.
Le digesteur est un dôme fixe muni d’un gazomètre qui flotte sur une fosse
de compensation ou sur une fosse séparée ou sur un joint hydraulique au-dessus
du dôme. La surpression dans le réacteur est supprimée.
III.4.4. Le digesteur Plug-flow (Annexe V) :
C’est un digesteur à basse pression du fait de sa conception : un diamètre
de la fosse normalement large et assez profonde, couverte d’une membrane en
plastique ou en caoutchouc et quelque fois munie à la partie supérieure d’un
ballon souple en bâche plastifiée pour récupérer et stocker le gaz. La paroi est en
brique.
Parfois très volumineux (jusqu’en millier de mètre cube), et alimenté de
façon continue ou semi-continue, il digère des substrats solides à teneur en MS
élevée comme le substrat pailleux, les ordures ménagères, les déchets urbains…
Une ouverture hydraulique d’entrée et de sortie assez grande est construite
sous le réacteur. Sa durée de vie est relativement courte (10 ans maximum).
III.4.5. Le digesteur en ballon plastique :
Le réacteur est en plastique (PVC ou RMP, résistent aux UV) à moitié
enterré et cylindrique. Il convient bien aux substrats liquides et fonctionne en
continu, le gaz est stocké au-dessus ou dans un autre ballon plastique.
Le digesteur est sensible à la variation de la température, la détérioration du
plastique limite sa durée de vie.
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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Chapitre IV : Le tabac
IV.1. Etude botanique [11], [18], [32], [33]:
Le mot «tabac» désigne à la fois la plante cultivée pour ses feuilles et les
produits manufacturés issus de leur transformation. Le tabac, dont le genre
botanique, Nicotiana, fut nommé en 1735 par Linné, appartient à la famille des
Solanacées. C'est une plante rudérale (qui aime les décombres) originaire
d'Amérique du Sud. Le genre Nicotianacomporte une cinquantaine d'espèces, le
plus souvent annuelles, dont la taille va de 25 cm à 5 m de haut. Les tabacs
cultivés, hybrides issus de sélections, sont inconnus à l'état sauvage. Il en existe
deux espèces principales, Nicotiana tabacumet Nicotiana rustica.
Nicotiana tabacum, le tabac de Virginie, est une plante aux fleurs roses ou
rouges en forme de trompette dont la taille peut atteindre jusqu'à trois mètres. Les
feuilles, simples et entières, dont les plus grandes mesurent jusqu'à 50 cm de
long, contiennent plusieurs alcaloïdes dont le principal, la nicotine, est présente à
une concentration de 0,5 % à 5 % du poids sec.
Nicotiana rustica est utilisé pour extraire la nicotine de ses feuilles et ses
graines,fournissent de l'huile.
La classification botanique du tabac est :
Famille : Solanacée
Genre : Nicotiana
Espèces : Nicotiana tabacum et Nicotiana rustica
Nom Malgache : Paraky
Dans l’espèce Nicotiana tabacum, les plus cultivés sont : l’Orient, le
Kentucky,le Brun, la Virginie, le Burley, le Maryland, etc.
Le climat est le premier responsable de ces nombreuses espèces.
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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Les photos suivantes illustrent ces différentes espèces de tabac.
Photo 2 : Le tabac Virginie Photo 3 : Le tabac d’Orient
Photo 4 : Le tabac Kentucky
Photo 5 : Le tabac Burley Photo 6 : Le tabac Brun
Source : [8]
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IV.2. Historique et origine du tabac [18], [32], [33]:
Le tabac a été utilisé par de nombreuses tribus amérindiennes, notamment
au cours de rituels religieux et sociaux, dès les premiers siècles de notre ère
comme en atteste la découverte de pipes et de représentations de dieux et de
prêtres fumant depuis près de 2 000 ans. Inconnu hors du continent américain
jusqu'en 1492, son usage gagna rapidement le monde entier à la suite de la
découverte de l'Amérique par Christophe Colomb.
Ce dernier rencontra des fumeurs de tabac lorsqu'il jeta l'ancre devant Cuba
et fit connaître le tabac en Espagne où il eut un grand succès notamment en
raison des propriétés médicinales qu'on lui prêtait. À partir de 1520, des
plantations furent établies d'abord aux Antilles puis en Espagne et au Portugal et,
vers 1530, en Afrique. En France, André Thévet décrivit en 1557 le petun, (nom
du tabac chez les Indiens du Brésil) et entreprit sa culture.
En 1558, l'ambassadeur de France au Portugal, Jean Nicot, envoya à
Catherine de Médicis des échantillons de tabac en poudre qu'elle utilisa pour
soigner ses enfants. La prise de tabac devint alors très à la mode à la cour de
France.
L'usage du tabac, fumé, prisé ou chiqué, gagna rapidement toute l'Europe
puis s'étendit vers l'Est.
La culture fut introduite en 1580 en Turquie et en Russie, en 1590 en Inde
et au Japon, en 1600 en Grèce, aux Philippines et en Indochine. Dès le milieu du
dix-septième siècle, le tabac était cultivé sur pratiquement toute la planète.
Malgré des tentatives de prohibition dans plusieurs pays, allant parfois
jusqu'à la peine de mort comme en Turquie au dix-septième siècle, son usage se
répandit dans le monde entier. Aussi, la plupart des états préférèrent rapidement
instituer des taxes ou se réserver l'exclusivité de son commerce.
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IV.3. Le mode de culture [11], [18]:
La graine est semée en pépinière ou sur semis flottants au début du mois
de mars puis est transplantée en champ à la mi-mai. La plante atteint 1m 80 au
début de l’été lorsque commence la floraison. La fleur est coupée afin que les
feuilles se développent (une vingtaine par pied).
Les premières décolorations indiquent le moment de la récolte (juillet/août)
qui nécessite une main-d'œuvre nombreuse et attentive. Les feuilles de tabac sont
séchées pour être expédiées vers les industries de tabac.
Il faut au tabac un sol frais, léger, riche en potasse. Les terres lourdes
donnent des tabacs plus riches en nicotine mais moins frais que celui des terres
légères. Le tabac craint l’excès d’humidité.
IV.4.Le séchage de la feuille [8], [16], [19]:
Après la récolte, la feuille de tabac subit le séchage. Le séchage donne au tabac
son goût. Selon le mode de séchage, chaque tabac se différencie les uns des
autres.
Il y a quatre types de séchage :
le séchage au soleil pour le tabac d’Orient ;
le séchage à l’air chaud pour le type Virginie ;
le séchage à l’air pour les variétés Burley et Brun ;
le séchage au feu avec le Kentucky.
IV.4.1. Le séchage au soleil :
Les feuilles de tabac sont séchées dans des filets sous l'action du soleil.
Ce sont principalement des tabacs dits orientaux qui sont cultivés dans le bassin
méditerranéen qui bénéficient de cette technique. Après séchage, les feuilles sont
classées par grade.
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Photo 7 : Le séchage au soleil
Source : [8]
IV.4.2. Le séchage à air naturel :
Aucune source d'énergie extérieure n'entre dans ce processus de
séchage…
Le séchage dure entre quatre et huit semaines en fonction des conditions
météorologiques et la manière dont le planteur parvient à gérer le taux d'humidité
à l'intérieur de son installation.
Photo 8 : Le séchage à l'air naturel
Source : [8]
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RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 39
IV.4.3. Le séchage à l’air chaud :
Ce procédé mit au point en 1823 aux États-Unis utilise une source
artificielle d'énergie pour déshydrater la feuille.
Le séchage à l'air chaud est un processus où le maintien clos ou non des
ouvertures vers l'extérieur permet de réguler l'hygrométrie et la température.
Cette opération permet également d'augmenter de manière assez sensible
le taux de sucre contenu dans le produit final, surtout du fructose et du glucose.
Photo 9: Le séchage à l'air chaud
Source : [8]
IV.4.4. Le séchage au feu :
Les feuilles de tabac sont suspendues à des lattes dans une pièce fermée.
Après une période de deux à six jours, elles peuvent commencer à être séchées à
la chaleur et à la fumée d'un feu de bois allumé sur le sol au sein d'un âtre ouvert.
Le séchage au feu permet au tabac de se charger des arômes dégagés par la
combustion du bois et fournit ainsi une gamme de tabacs noirs au goût très
prononcé (de créosote) et caractéristique.
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Photo 10: Le séchage au feu
Source : [8]
IV.5. La composition chimique du tabac [8]:
La composition chimique et la couleur du tabac brut dépendent de l'espèce,
du climat, du sol, du mode de culture et surtout du degré de maturité des feuilles à
la récolte, de la méthode de séchage.
Une récolte des feuilles à très bonne maturité et un séchage rapide permettant
d'éviter la dégradation des composants chimiques de la cellule, donnent des
tabacs de couleur jaune clair à jaune doré, riches en sucres et en polyphénols - ce
sont par exemple, les tabacs type Virginie séchés par un courant d'air chaud et
les tabacs type Orient séchés au soleil .
Par contre, un séchage prolongé à l'air naturel provoque une lente biodégradation
des composés tels que les sucres, amidons, protéines, acides et bases
organiques et parallèlement la formation de pigments foncés résultant
principalement de la combinaison des polyphénols et des protéines. Ce procédé
conduit à des tabacs pauvres en sucres et présentant une couleur allant du brun
clair (tabacs type Burley et Maryland) au brun noir.
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La composition chimique du tabac est donnée par le tableau ci-dessous :
Tableau 5: Composition chimique du tabac
Classes chimiques Nature
Polymères végétaux Cellulose, pectines, lignines
Hydrate de carbone Amidon, glucose, fructose, saccharose
Dérivés azotés Protéines; Acides aminés libres (PRO, ASP, GLU),
Alcaloïdes (nicotine, nornicotine,…) ; chlorophylle …
Acides carboxyliques Acides malique, citrique et oxaliques
Acides gras : C16, C18, C18=, C18==, C18===
Acides gras légers : Acétique, 3 Methylvalérique
Dérivés phénoliques Polyphénols : Acides chlorogéniques, Rutine
Stérols Cholestérol, Campestérol, Stigmastérol,
Sitostérol
Isoprènoïdes Caroténoïdes et composés dérivés, Solanesol,
Cembranoïdes, Labdanoïdes, Phytol, Néophytadiene
Cires Hydrocarbures aliphatiques : C22 - C32
Esters d’acides gras et d’alcools gras
Composés dérivés de la
réaction de Maillard
Glucosamine, Composés d’Amadori, Fructosazines,
Deoxyfructosazines, Mélanoïdines (pigments bruns),
Hétérocycles azotés, Hétérocycles oxygénés
Composés inorganiques Calcium, Potassium, Magnésium, Sodium, Nitrate,
Phosphate, Chlorure, Sulfate, Ammonium, Oligo-
éléments
Source : [8]
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Suivant le type de tabac, il y a une variation de teneur en constituant. En
bas, le tableau montre ces variations.
Tableau 6: Variation de teneur en constituant selon le type de tabac
Type de tabac Teneur en nicotine
(%)
Teneur en sucre totaux (%)
Teneur en cendre
(%)
Virginie 0,5 - 4,0 5 – 30 9 - 17
Orients 0,3 - 2,0 3 – 20 11 - 18
Burley 0,8 - 5,0 0,05 - 0,6 16 - 24
Bruns 0,2 - 3,5 <0,1 18 - 30
Source : [8]
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Chapitre V : La transformation industrielle du tabac : La
cigarette
Sur le plan mondial, la production de cigarette est la première destinée de
la transformation du tabac.
La formulation d’une cigarette est un art. Le procédé reste le même pour chaque
industrie mais la différence réside sur le type de mélange de tabac, la sauce,
l’arôme, le papier et le filtre.
Sur le plan industriel, les tabacs se présentent sous différentes formes :
o Les strips (parenchyme séparé des côtes) ;
o Les côtes ;
o Le tabac reconstitué (Annexe VI);
o Le tabac expansé ;
o Les feuilles entières.
V.1. La construction d’une cigarette [8], [17]:
Une cigarette est spécifiée par :
Un mélange tabac :
Composition
Sauces et Arômes
Procédés de fabrication
Un papier
Un filtre
Un format :
Longueur
Diamètre
Des consignes d’assemblage :
Poids de mélange
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V.2. La structure des mélanges [8], [17]:
Dans un mélange, il y a deux sortes de tabac :
Les tabacs dits "de base" (de goût ou aromatiques)
Les tabacs dits "de remplissage" ou "courants"
Sur le marché, il y a deux types de structures de mélanges :
Le goût de cigarette blonde
Le goût de cigarette brun
V.2.1. La blonde :
Ils existent quatre types de blonde. Les caractéristiques des goûts de
cigarettes blondes sont réunies dans le tableau suivant.
Tableau 7: Les caractéristiques des goûts de cigarettes blondes
Goût Caractéristiques
Anglais composé à 100% de Virginie
Américain
• Equilibre entre Virginie et Burley
• Fort pourcentage de tabac reconstitué
• Faible part de tabacs d'Orient
Européen
• Dominante Virginie
• Davantage de tabacs d'Orient que le
goût américain
Orient 100 % tabacs d’orient
Source : [8]
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V.2.2. Le brun :
La structure classique des mélanges bruns est comme suit :
tabacs bruns de 55 à 60 %
tabacs Kentucky de 0 à 10 %
tabacs d'Orient de 12 à 14 %
tabac reconstitué de 0 à 10%
côtes 15%
V.2.3. Les sauces :
Une sauce est un ensemble de diverses catégories d’additifs, en solution
dans de l’eau qui est appliquée sur des strips (tabac non haché).
Il est spécifique pour les différents éléments du mélange et en grande quantité.
Son rôle est d’améliorer la machinabilité du tabac, stabiliser l’humidité du tabac,
exalter et lier les arômes naturels du tabac, apporter des notes aromatiques de
base, et orienter le mélange dans la ligne de goût choisie.
Les ingrédients classiques sont : poudre de cacao ; sucres solides ; sucres
liquides : sirops (maïs, canne,…), miels ; poudre de réglisse et des humectants :
Propylène glycol, glycérol, sorbitol.
V.2.4. Les arômes :
Un arôme est un ensemble d’agents de saveur en solution dans de l’alcool
(ou du propylène glycol) qui est appliqué sur le scaferlati complet, en très faible
quantité.
Son rôle est de donner au mélange une finition aromatique, fixer l’univers
aromatique du produit.
Les ingrédients sont les matières premières aromatiques naturelles et/ou
des arômes de synthèse.
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Ainsi, selon le type de mélange il y a :
Les mélanges peu ou pas saucés et aromatisés : mélanges
« bruns », mélanges «orient», mélanges «anglais» ;
Les mélanges saucés et aromatisés : mélanges «européens»,
mélanges «américains» ;
Les mélanges à dominante aromatisée : menthol.
Au final, la formulation d’une cigarette peut être schématisée comme l’exemple
suivante :
Figure 5 : La formulation de la cigarette
Source : [8]
V.3. Le papier [8]:
Le papier est fait avec du bois. Il donne à la cigarette un aspect visuel
puisqu’il enrobe le mélange de tabac formulé.
Ces propriétés sont :
Perméable à l’air : l’entrée de l’air est sur les perforations ;
Facile à brûler pour accélérer la combustion.
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V.4. Le filtre [8]:
Un filtre est essentiellement un embout entre la colonne tabac et la bouche
du fumeur. Il modifie la fumée produite par la colonne tabac grâce à ses propriétés
de capturer les particules de la fumée (physique) et filtrer sélectivement les autres
particules comme le goudron (chimique).
Le matériau est fait d’acétate de cellulose et d’adjuvant sélectif comme le charbon
actif et/ou la sépiolite.
Son rôle est de modifier les effets de la ventilation.
V.5. Les déchets de tabac [8], [17]:
Les déchets sont les matières non utilisables pour le mélange. Ce sont les
côtes, les débris et les poussières de tabac.
Les côtes sont obtenues lors de la préparation des strips ; les débris sont
les nervures, les feuilles écartés du mélange. Les feuilles sont broyées puis
tamisés pour enlever les poussières du tabac.
Photo 11 : Déchets de tabac
Source : [8]
PARTIE II :
ETUDES
EXPERIMENTALES
ET
ETUDE DE
PREFAISABILITE
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Chapitre VI : Etudes Expérimentales
Les déchets de tabac à traiter sont constitués de poussières ou poudres de
tabac.
Dans la fabrication de la cigarette, la feuille de tabac est la matière
première. Cette feuille est broyée dans un broyeur, il s’ensuit une opération de
séparation par tamisage. La feuille broyée est séparée de la poussière qui est
stockée dans l’entrepôt.
A l’œil nu, la granulométrie de la poussière est identique.
La photo suivante montre la poussière de tabac :
Photo 12 : la poussière de tabac
L’étude expérimentale consiste à faire des analyses physico-chimiques du
substrat, puis la digestion méthanique au laboratoire et enfin l’extension de l’étude
sur la potentialité de l’usine.
Les analyses physico-chimiques servent à connaitre la teneur en matières
sèches et l’humidité, la teneur en matières volatiles, le rapport C/N et le taux de
nicotine.
La digestion méthanique effectuée au laboratoire aura pour but de savoir la
productivité en biogaz du substrat.
Le dimensionnement du projet concerne l’estimation de la potentialité en
biogaz de la société.
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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VI.1. Analyse du substrat :
Tous les modes opératoires et les modes de calculs sont présentés dans
les annexes.
VI.1.1. Teneur en matières sèches MS et l’humidité
H (Annexe VII) :
Cela détermine le procédé de fermentation à choisir. Elle est obtenue à
partir de la mise en évaporation du substrat dans l’étuve à 105°C jusqu’à poids
constant.
La teneur en matière sèche obtenue est : MS= 95,65%.
L’humidité est : H = 100% − MS(%)
H = 4,35%
VI.1.2. Teneur en matières volatiles MV (Annexe VIII) :
Son obtention se fait par la mise au four de la MS pendant 24h à 550°C.
Il faut éviter de la confondre avec la teneur en MO parce que :
Des matières minérales et des sels minéraux peuvent se décomposer entre
105°C et 550°C
Une partie des MO peut ne pas se gazéifiés à 550°C mais vers 650°C à
700°C.
La teneur en matières volatiles est de : MV= 70,58%
VI.1.3. Rapport C/N :
Ceci doit être compris entre 20/1 et 30/1.La manque d’azote diminue la
production de biogaz si le rapport est élevé, il y a une accumulation de l’ammoniac
(inhibitrice) si le rapport est trop bas. Il est nécessaire de connaitre le taux de
carbone organique et le taux d’azote organique du substrat pour avoir ce rapport.
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VI.1.3.1. Taux de carbone C (Annexe IX) :
La méthode utilisée est celle de Walkey et Black.
Le carbone est oxydé par un excès d’oxydant fort en milieu acide, l’excès sera
déterminé par titrage à l’aide d’une solution de sulfate ferreux.
La valeur ainsi obtenue est : %C = 51,2
VI.1.3.2 Taux d’azote N (Annexe X) :
La méthode de kjeldhal est employée pour la détermination du
taux d’azote.
Elle consiste à minéraliser l’azote organique suivi d’une distillation. L’azote est
transformé en ammoniaque par l’acide sulfurique concentré en présence d’un
catalyseur.
La valeur trouvée est : %N= 2,3
Le rapport C/N du substrat est : C/N=51,2/2,3
C/N= 22.3/1
C/N≈22/1
VI.1.4. Taux de nicotine (Annexe XI) :
La détermination de la teneur en nicotine a été effectuée puisque cette
molécule pourrait être comme inhibiteur de la fermentation. Cela est dû à sa
qualité d’insecticide et risque fort de perturber les flores microbiennes.
La méthode d’extraction est l’hydrodistillation de la solution fortement basique puis
décantation et addition du DCM.
Sa teneur en nicotine est 1,65 %.
Les résultats des analyses de déchets de tabac sont résumés dans le tableau ci-
dessous :
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Tableau 8: Récapitulation des valeurs obtenues des analyses du substrat
Teneur en Valeur
MS (%) 95,65
Humidité X(%) 4,35
MV(%) 70,58
C/N 22/1
nicotine(%) 1,65
VI.2. La biodigestion du déchet de tabac :
La biodigestion du substrat a été fait au laboratoire du CNRIT pendant 30 jours.
VI.2.1. Les dispositifs expérimentaux :
Il est constitués par :
Trois (03) réacteurs en bouteille de verre de volume V= 3,5L noté R1, R2 et
R3, tous placé dans un bain thermostat ;
Trois(03) gazomètres, chaque réacteur est relié à son propre gazomètre ;
Des tuyaux en PVC reliant le réacteur au gazomètre et du gazomètre à la
cuvette remplie d’eau salée.
Le gazomètre est rempli avec de l’eau salée (le biogaz est insoluble) de
bas en haut.Sur le haut du gazomètre, le gaz est amené via le réacteur en
poussant la colonne d’eau (volume d’eau poussé = volume de gaz produit)
et une vanne en verre pour évacuer le gaz en cas de remplissage du
gazomètre, pour effectuer le test de brûlage ;
Une cuvette remplie d’eau salée pour piéger le gaz formé dans le
gazomètre ;
Un chauffe-eau pour assurer le chauffage du bain thermostat ;
Le substrat : déchets de tabac en poudre ;
Le ferment : bouse de vache qui constitue 10% en masse du substrat ;
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Pour maintenir les trois réacteurs en anaérobiose, il est nécessaire
d’employer trois bouchons en caoutchouc muni d’un trou chacun pour
enfoncer le tuyau d’évacuation.
La photo suivante montre les dispositifs expérimentaux :
Photo 13 : Les dispositifs expérimentaux
VI.2.2. Les conditions expérimentales :
La fermentation est effectué en mésophile, la température est de 37°C ;
D’abord, pesage du substrat et du ferment ;
Puis, ajout d’eau tiède jusqu’à 2/3 du volume dans le réacteur (le reste sert
à stocker temporairement le gaz), ajout du substrat et du ferment ;
Et, fermeture du digesteur avec le bouchon ;
Ensuite, pré-fermentation d’une journée dans le réacteur ;
Enfin, le démarrage de la fermentation après la mise en marche du
thermostat ;
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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Tous les jours, une agitation du réacteur est effectuée, accompagnée d’une
lecture du volume sur le gazomètre. L’ouverture de la vanne supérieure
permet une remise à zéro du gazomètre pour éviter que le gaz formé ne
s’échappe vers la cuvette récupératrice d’eau salée via la partie inférieure
du gazomètre et permet aussi de brûler le gaz pour savoir sa qualité;
L’expérience s’arrête si on ne constate aucune variation notable de volume
de gaz.
VI.2.3. Les données expérimentales :
Pour mener l’expérience, trois hypothèses ont été établies en variant la
masse de substrat dans le réacteur.
Le tableau suivant récapitule les données expérimentales :
Tableau 9: Les trois hypothèses de fermentation
Formulations n°1 Formulations n°2 Formulations n°3
Masse du substrat (g) 200 400 600
Masse du ferment (g) 20 40 60
pH 7,4 7,6 7,8
Température (°C) 37 37 37
Réacteurs n° 1 2 3
Gazomètre n° 7 4 3
Date de fermentation 26-05-2012 à 26-
06-2012
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VI.2.4. Les résultats :
La surface de base du gazomètre est de 136,78 cm2. La température moyenne
lors de la prise des résultats est de 20°C.
Le réacteur n°1 :
Le tableau suivant illustre les résultats de la formulation n°1.
Tableau 10: Les résultats de l'hypothèse n°1
Temps( j) hauteur[cm] Volume de gaz [cm3]
Volume cumulé de gaz[cm3]
1 1,1 150,458 150,458
2 4,6 629,188 779,646
3 7,1 971,138 1750,784
4 9,1 1244,698 2995,482
5 13,9 1901,242 4896,724
6 19,1 2612,498 7509,222
7 21,6 2954,448 10463,67
8 9,5 1299,41 11763,08
9 23,5 3214,33 14977,41
10 0,5 68,39 15045,8
11 1 136,78 15182,58
12 2,7 369,306 15551,886
13 4 547,12 16099,006
14 6 820,68 16919,686
15 5,5 752,29 15346,716
16 7,5 1025,85 16372,566
17 7,5 1025,85 16372,566
18 8 1094,24 17466,806
19 8 1094,24 17466,806
20 8 1094,24 17466,806
21 8 1094,24 17466,806
22 8 1094,24 17466,806
23 5,5 752,29 15620,276
24 5,5 752,29 15620,276
25 6 820,68 16440,956
26 6 820,68 16440,956
27 6 820,68 16440,956
28 6 820,68 16440,956
29 6 820,68 16440,956
30 6 820,68 16440,956
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Les figures suivantes montrent l’évolution journalière et la production cumulée de
l’hypothèse n°1.
Figure 6 : Evolution de la production journalière n°1
Figure 7 : Le volume cumulé n°1
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Le réacteur n°2 :
Les valeurs obtenues de la formulation n°2 sont récapitulés dans le tableau ci-
dessous :
Tableau 11: Les résultats de l'hypothèse n°2
Temps(j) hauteur[cm] Volume de gaz [cm3]
Volume cumulé de gaz[cm3]
1 3 410,34 410,34
2 13,5 1836,53 2246,87
3 16,5 2735,6 4982,47
4 24,5 3351,11 8333,58
5 7,2 984,81 9318,39
6 19,4 2653,53 11971,92
7 20 2735,6 14707,52
8 21,5 2940,77 17648,29
9 14 1914,92 19563,21
10 20 2735,6 22298,81
11 2,4 328,27 22627,08
12 3,3 451,37 23078,45
13 3,9 533,44 23611,89
14 4,4 601,83 24213,72
15 6,4 875,39 25089,11
16 5,4 738,61 23475,11
17 5,4 738,61 23475,11
18 6,4 875,39 24350,5
19 10,9 1490,9 25841,4
20 18,9 2585,14 28426,54
21 0,5 68,39 28494,93
22 0,5 68,39 28494,93
23 2 273,56 28768,49
24 2 273,56 28768,49
25 2 273,56 28768,49
26 2 273,56 28768,49
27 2 273,56 28768,49
28 2 273,56 28768,49
29 2 273,56 28768,49
30 2 273,56 28768,49
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Les figures ci-dessous illustrent les résultats de l’hypothèse n°2 :
Figure 8 : Evolution de la production n°2
Figure 9 : Le volume cumulé n°2
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Le réacteur n°3 :
Les résultats de la formulation n°3 sont donnés dans le tableau suivant :
Tableau 12: Les résultats de l'hypothèse n°3
Temps(j) hauteur[cm] Volume de gaz [cm3]
Volume cumulé de gaz[cm3]
1 9,5 1299,41 1299,41
2 11 1504,58 2803,99
3 13 1778,14 4582,13
4 14 1914,92 6497,05
5 7,5 1025,85 7522,9
6 17,4 2379,972 9902,872
7 8,5 1162,63 11065,502
8 8,5 1162,63 12228,132
9 18,5 2530,43 14758,562
10 18,5 2530,43 17288,992
11 20,5 2803,99 20092,982
12 20,5 2803,99 22896,972
13 20,5 2803,99 25700,962
14 8,5 1162,63 26863,592
15 16 2188,48 29052,072
16 22 3009,16 32061,232
17 0,5 68,39 32129,622
18 1 136,78 32266,402
19 2 273,56 32539,962
20 2 273,56 32539,962
21 2 273,56 32539,962
22 2 273,56 32539,962
23 2 273,56 32539,962
24 2 273,56 32539,962
25 3 410,34 32950,302
26 7.5 1025,85 33976,152
27 12.5 1709,75 35685,902
28 13.5 1846,53 37532,432
29 13.5 1846,53 37532,432
30 13.5 1846,53 37532,432
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Les figures ci-dessous illustrent les résultats de l’hypothèse n°3 :
Figure 10 : Evolution de la production n°3
Figure 11 : Le volume cumulé n°3
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La figure suivante résume les résultats obtenus lors de la biodigestion
anaérobique des déchets de tabac en poudre :
Figure 12 : Résultats après 30j de digestion
Interprétations des courbes :
La production de gaz commence rapidement après une journée de
digestion ;
Le temps de latence est presque nul ;
Pour la formulation n°1 : dès le 12ème jour, le substrat commence à
s’épuiser et il n’y aurait plus de variation notable de volume de gaz produit.
Ceci est dû à la faible masse de substrat introduit par au volume d’eau, le
taux de dilution est très faible (Cf page 25).L’hypothèse n°1 est exclue car
ceci n’aura aucun intérêt pour l’extension du projet, lors du test de brûlage,
le résultat est négatif ;
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
0 5 10 15 20 25 30 35
volu
me
cu
mu
lé e
n c
m3
durée en jour
Réacteur N°1 : Volume cumulé[cm3] Réacteur N°2 : Volume cumulé [cm3]
Réacteur N°3 : Volume cumulé [cm3]
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L’hypothèse n°2 est intéressante au point de vu production mais à partir du
20ème jour, la production cesse. Cependant il donne un résultat de 29L/400g de substrat environ. Le test est
positif : flamme bleu sans fumé mais de forte odeur d’œuf pourri, traduisant
la présence probable de sulfure d’hydrogène ;
La proposition n°3 est concluante :
o production de gaz jusqu’au 28ème jour ;
o 37L/600g de substrat ;
o test positif : flamme bleu sans fumé, forte odeur d’œuf pourri ;
Le gaz obtenu brûle à partir du 10ème jour.
Le tableau suivant récapitule les résultats de la biodigestion des trois hypothèses.
Tableau 13: Le temps de rétention, la productivité et le test des trois
formulations
Temps de
rétention(j)
Productivité (L/xg
de substrat)
Test par brûlage
Formulation n°1 15 16,5L/200g -
Formulation n°2 20 29L/400g +
Formulation n°3 28 37L/600g +
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Les photos suivantes montrent que le déchet donne bel et bien du biogaz.
Photo 14 : Test de brûlage :à gauche la formulation n°2 (30ème jour), à droite
la n°3 (30ème jour)
Le digestat, obtenu après 30 jours de fermentation, conserve tous les éléments
minéraux présents initialement dans le substrat. Seule la fraction hydrocarbonée
est transformée en biogaz. Une valorisation comme compost peut être envisagée.
Le rapport quantitatif résidu-substrat est en général de 0,4.
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Chapitre VII : Etude de préfaisabilité
L’installation d’un biodigesteur traitant les déchets de tabac peut être
envisagée au sein même de la société X afin de renforcer la production d’énergie.
VII.1. La potentialité en substrat, en biogaz du site :
La potentialité du site varie tous les jours en fonction de la productivité de
l’usine, elle est de l’ordre de 400kg à 700kg de déchet.
Le tableau ci-dessous résume la potentialité en biogaz de l’usine.
Tableau 14 : La potentialité du site
Quantité de
déchets [T]/j
Quantité de
déchets[T]/an
Equivalence
en biogaz
[m3] /an
Equivalence
en électricité
[KWh]/an
0,4 146 8760 52560
0,5 182,5 10950 65700
0,6 219 13140 78840
0,7 255,5 15330 91980
Moyenne
annuelle
0,55 200,75 12045 77270
Les formules prises en compte sont :
600g de substrat donne 37 L de biogaz, riche à 60% de méthane ;
1Kg de substrat donne 60 L de biogaz, soit 60m3 de biogaz/T de substrat ;
1m3 est équivalent à 6 KWh.
VII.2. Le besoin énergétique de l’usine et la valorisation du biogaz:
L’usine est une grosse consommatrice d’énergie électrique puis que sa
consommation moyenne est de l’ordre de 11500 KWh/mois.
Ainsi, elle a besoin de 383,33 KWh pour faire tourner l’usine en une journée.
La valorisation du biogaz sera alors pour la production de l’électricité par
l’utilisation d’un groupe fonctionnant au biogaz ou d’un turbo-alternateur.
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VII.3. Le choix du digesteur :
Le site de l’emplacement de notre digesteur est à Antsirabe. Ceci nous
laisse cependant perplexe sur la température en hiver. Donc, il faut un digesteur
qui offre une meilleure isolation et capable de digéré le substrat. Le choix se
tourne vers le type Chinois. En plus de sa résistance au froid, sa facilité de
construction, sans nécessité de brassage et l’investissement lié lui donnent des
avantages considérables.
VII.4. Les dimensions du digesteur :
La formule ci-après est utilisée pour dimensionner le digesteur :
V (m3) = débit du substrat journalier (T)* temps de rétention(j)
V = 0,55*27 où 0,55 est la quantité moyenne journalière de déchets de
tabac et 27 est le temps de rétention du substrat, ainsi on a :
V = 15 m3
Le débit journalier en substrat est de 0,55 T, la masse du fermant est de 0,055 T
et le volume d’eau est 9 m3.
Le digesteur renferme trois(03) parties : une chambre de chargement, la chambre
de fermentation et une chambre de déchargement (d’évacuation).
La chambre de fermentation se divise aussi en trois parties :
Le radier : c’est le fond de la chambre caractérisé par : son rayon r2 ; son
hauteur f2 et sa sur surface S2 ;
Le mur ou cœur de la chambre est défini par : le diamètre D, la hauteur H
et sa surface S ;
Le dôme, partie haute de la chambre sert de stockage au gaz formé de
rayon r1, de hauteur f1 et de surface S1.
Le volume de la chambre d’évacuation ou chambre d’expansion ou chambre à
pression hydraulique Ve est donné par la relation :
V = 4 Ve
Ve= V/4
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Le tableau suivant récapitule les formules pour calculer tous les paramètres du
digesteur.
Tableau 15 : Les formules pour dimensionner le digesteur
Paramètres Symbole Formule Commentaires
Volume du digesteur V (Q+w)* T Q= quantité de substrat ;
W= quantité d’eau ; T= temps de rétention
Diamètre du digesteur D
Rayon du digesteur R R=D/2
Hauteur des murs H H=D/2.5 Des rapports optimaux pour équilibrer les trois
parties Hauteur du dôme f1 f1=D/5
Hauteur du radier f2 f2=D/8
Rayon de courbure du dôme r1
R2 + f12
2f1 Permettent de construire
le dôme et le radier Rayon de courbure du
radier r2
R2 + f22
2f2
Surface des murs Sm 2 πRH
Ces surfaces permettent de calculer le volume de
la maçonnerie (en multipliant par
l’épaisseur) à partir duquel on établit le devis
Surface du dôme S1 π (R2 + f1
2)
Surface du radier S2 π (R2 + f2
2)
Volume du mur Vm π R2 H
V = Vm + v1 + v2
= 0,447 D3
Volume du dôme V1 π x f1 (3R2 + f1
2)
6
Volume du radier V2 π x f2 (3R2 + f2
2)
6
Source : [5], [37]
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Les valeurs trouvées sont réunis dans le tableau ci-après :
Tableau 16 : Les dimensions du digesteur
Paramètres Valeurs
V [m3] 15
D [m] 3,22
R [m] 1,62
H [m] 1,28
f1 [m] 0,64
f2 [m] 0,40
r1 [m] 2,17
r2 [m] 3,48
S1 [m2] 9,53
Sm [m2] 13,03
S2 [m2] 8,75
V1 [m3] 2,77
Vm [m3] 21,10
V2 [m3] 1,68
Ve [m3] 3,75
Les matériaux de construction nécessaire à la construction du digesteur sont :
Les briques ;
Le ciment ;
Le sable ;
Le galet ou gravillon ;
L’eau ;
Le fer à béton ;
Le bois
Le fil de fer pour l’armature ;
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La figure suivante illustre le schéma du digesteur à utiliser :
Figure 13 : Schéma du digesteur choisi
Source : [37]
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VII.5. Les éléments des installations de production [17]:
Les infrastructures de production de biogaz et d’énergie électrique sont
composées généralement : de digesteurs, de tuyauteries de conduites en PET,
d’un système anti-retour de flamme, d’un réservoir de stockage de gaz, d’un
générateur à biogaz et de divers accessoires.
VII.5.1. Digesteur
Le digesteur est l’élément principal composant les infrastructures de
production de biogaz parce qu’il est le siège des réactions biochimiques de
méthanisation. Les dimensions du digesteur sont fonction de la disponibilité en
substrats et des résultats de production visés.
VII.5.2. Tuyauteries en PET
Les conduites en tuyauteries de PET ont pour rôle principal d’acheminer le
gaz sur l’ensemble des installations. On utilise des tuyaux en polyéthylènes de
diamètre intérieur 2,5 cm pour connecter chaque partie des installations, afin
d’obtenir un fonctionnement conforme aux normes.
VII.5.3. Clapet anti-retour
Les clapets anti-retour sont des dispositifs à installer avec les conduites de
gaz afin de prévenir et éviter le retour des gaz, en particulier vers les réacteurs.
L’objectif en est d’assurer le bon fonctionnement de l’ensemble des infrastructures
et minimiser le risque d’accident dû à un éventuel retour de flamme par exemple.
On en installe sur la conduite de gaz juste après le gazomètre.
VII.5.4. Robinet tournant
Les robinets tournants sont installés sur les conduites de gaz en
tuyauteries. Ils servent à ouvrir et/ou à fermer selon les besoins la circulation des
gaz produits par méthanisation.
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VII.5.5. Système d’épuration
L’utilisation du système d’épuration du biogaz est primordiale avant de
pouvoir procéder à sa conversion. Il existe diverses possibilités d’épuration selon
les choix. Dans le présent cas, on a opté le lavage à l’eau du biogaz brut à travers
un réservoir d’eau qui va solubiliser le CO2 et le H2S.
VII.5.6. Générateur électrique à biogaz / Centrale à biogaz
Il s’agit d’un groupe électrogène fonctionnant au biogaz. Le générateur
aspire le biogaz à partir de son réservoir avec un débit conforme à ses
caractéristiques. Le biogaz circule ensuite dans les tuyauteries de conduite,
traverse le système d’épuration et arrive dans le générateur. L’utilité d’un tel
générateur est primordiale pour la production électrique projetée.
Ci-après le schéma de principe qui donne quelques indications sur le
principe de fonctionnement des futures infrastructures.
P-4
V-2
P-6
V-5
Robinet à tournante
P-7
Conduites de gaz
Biodigesteurs Central à gaz
Prise à 3 conducteurs
Câbles électriques
InterrupteurClapet anti-retour
E-3
E-4
Réservoir de pétrole fermé pour
l’épuration
Figure 14 : Schéma des installations
Source : [17]
Générateur électrique
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La photo ci-après montre un générateur électrique fonctionnant au biogaz :
Photo 15 : Le générateur fonctionnant au biogaz
Source : [35]
Ses caractéristiques sont développées en dessous.
Tableau 17 : Les caractéristiques du générateur
Poids brut 250 kg
Tension / fréquence 380 V / 50 Hz
Maximum de puissance de sortie 0,8 KW
Consommation de biogaz par kWh
d’électricité 0,40 m3
Prix arrivée au client Ar 4 000 000
Source : [35]
PARTIE III : ETUDES
ECONOMIQUES,
APPROCHE
ENVIRONNEMENTALE
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Chapitre VIII : Etudes économiques [17]
L’étude économique consiste à connaitre :
L’investissement nécessaire à la production de biogaz et d’électricité ;
L’étude de rentabilité : Marge Brute d’Autofinancement (MBA), Valeur
Nette Actualisée (VNA), Taux de Rentabilité Interne (TRI), Indice de
Profitabilité (IP) et Durée de Récupération des Capitaux Investis
(DRCI).
L’évaluation financière de valorisation du déchet en biogaz et en
électricité.
VIII.1. Les critères de rentabilités :
VIII.1.1. Marge Brute d’Autofinancement (MBA)
La Marge Brute d’Autofinancement (MBA) représente le flux net dégagé par
l’exploitation d’un investissement et qui va permettre de rentabiliser les capitaux
investis.
Le calcul de ces flux dégagés, ou Marge Brute d’Autofinancement, est ainsi
fonction des éléments de l’exploitation : durée prévue, recettes envisagées,
charges estimées et amortissement des biens acquis.
VIII.1.2.Valeur Nette Actualisée (VNA)
La Valeur Nette Actualisée d’un investissement est la valeur actuelle, à une
date donnée et à un taux d’actualisation choisi, des flux de trésorerie annuels liés
à un projet, c’est-à-dire la somme des flux de trésorerie actualisés.
n = p
VNA = ΣMBA n (1 + t) – n
n = 1
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VIII.1.3. Taux de Rentabilité Interne (TRI)
Le Taux de Rentabilité Interne (TRI) est la valeur du taux d’actualisation pour
laquelle le bénéfice actualisé est nul (M. TERNIER, 1968), ou un indice de
profitabilité égal à 1.
VIII.1.4. Indice de Profitabilité (Ip)
L’indice de profitabilité (Ip) d’un investissement est défini comme étant le
quotient de la somme des cash – flow (flux générés) actualisés par le montant du
capital investi (D Franck, 2010)
VIII.1.5. Durée de Récupération des Capitaux Investis (DRCI)
La Durée de Récupération des Capitaux Investis (DRCI) est définie
concrètement comme étant le temps nécessaire, comptabilisé à partir du début
des activités de production, pour que la somme investie pour la conception de
l’activité retourne au profit de l’investisseur à partir des bénéfices qu’elle génère.
VIII.2. Les éléments d’évaluation financière :
Afin d’avoir une bonne indication sur l’état financier du projet, il faut
connaître avec certitude la valeur de ses flux circulants et immobilisés. Il est
possible ensuite d’en déduire un bilan financier fiable, relatif à la performance
comptable du projet. Pour obtenir ces résultats, il faut comparer les emplois de
fonctionnement et les ressources résultant des activités.
n = p
0 = Σ MBA n (1 + i) – n - C
n = 1
n = p
Ip = ΣMBA n (1 + t) – n C
n = 1
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VIII.2.1. Emplois débiteurs du projet
La valeur des flux monétaires débiteurs du projet est fonction de son
importance et celui des infrastructures de production, ensuite des objectifs
initialement visés et enfin du pourcentage d’accomplissement des prévisions. Ces
flux monétaires débiteurs sont représentés par les capitaux initialement investis et
les charges de fonctionnement.
VIII.2.2. Investissement ou Capitaux investis
Dans ce projet, le capital est investi à trois types d’affectations différentes,
achats des matériels et équipements, coût des études et assistance technique
ainsi que les frais d’installation des infrastructures.
VIII.2.3. Charges de l’exploitation
On a deux types de charges : les charges décaissées et les charges
calculées, ces dernières étant essentiellement représentées par les
amortissements des actifs immobilisés.
Charges décaissées
Les charges décaissées sont les frais déboursés nécessaires au
fonctionnement des activités d’exploitation des infrastructures : coûts d’acquisition
du déchet de la digestion, des bouses de vache, des eaux de digestion, ainsi que
les frais de main d’œuvre du personnel responsable du suivi et de l’entretien des
installations, y compris les impôts.
Charges Calculées
Les charges Calculées de l’exploitation correspondent aux dotations aux
amortissements résultant de la dépréciation de valeurs des actifs immobilisés.
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
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VIII.2.4. Ressources du projet
Les flux monétaires créditeurs par contre sont représentés essentiellement
par les recettes globales réalisées, représentées par la valeur numéraire du
biogaz, des fertilisants organiques et l’énergie électrique.
Chiffre d’Affaire (CA)
o Valeur des biogaz produits
La valeur numéraire du biogaz correspond au prix du volume total (en m3)
de biogaz produit annuellement. Le prix d’une unité de volume de biogaz étant
évalué à Ar 2730. Il est déduit de l’équivalence énergétique de 1m3 de biogaz qui
est égale à 0,6L de gasoil.
o Valeur des fertilisants organiques
La valeur des fertilisants organiques correspond au prix total des fertilisants
produits annuellement. Le prix unitaire d’un kilogramme étant fixé à Ar 1000 pour
être concurrent par rapport aux autres engrais, en considérant sa composition
biochimique et le prix des fertilisants organiques en général sur le commerce.
o Valeur de l’énergie électrique
Pour une application débouchant carrément à une conversion énergétique,
l’énergie électrique vaut Ar 645 / kWh, selon le tarif de la JIRAMA (ANNEXE XIII).
VIII.2.5. Hypothèses de calcul
Les évaluations concernent les cinq premières années d’exercice, on
détermine le montant des flux monétaires et les indicateurs de rentabilité avec les
hypothèses suivantes :
- La valeur de l’impôt sur les bénéfices variable. Elle est de Ar 100 000
additionné à 15 °/OO du chiffre d’affaires ;
- Le taux de placement bancaire exigé étant actuellement de 18 % pour
une année ;
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 75
- Le personnel nécessaire pour faire fonctionner et entretenir les
installations correspond à deux employés, leur rémunération mensuelle augmente
de 10 % tous les 2 ans ;
- Le coût du déchet et la bouse de vache est estimé à Ar 50 / Kg, le tarif de
l’eau est Ar 360 le m3 ;
- Le cycle de fermentation en une année est de 14 ;
- La durée de vie du remboursement de l’emprunt est de 15 ans.
VIII.3. Etude économique de la production de biogaz et de
fertilisant [ANNEXE XIV] :
VIII.3.1. L’investissement lié au biodigesteur :
La construction du digesteur nécessite un investissement, ceci est élucidé
dans le tableau suivant.
Tableau 18 : L’investissement pour la construction du biodigesteur
Désignations Unité Quantités P.U [Ar] Total [Ar]
- Coffrage en bois 33 3 000 99 000
- fer pour armatures 15 18 000 270 000
- Fil de fer kg 2 2 500 5 000
- Briques cuites Epaisseur 0,11 m 4 950 60 297 000
- Clapet anti-retour 2 40 000 80 000
- Sikalite kg 20 14 950 299 000
- Tuyau PVC Ø21/25 mm de 10 m m 2 7 800 15 600
- Coudes 4 6 000 24 000
- Colles et adhésifs 2 6 200 12 400
- Robinet tournant 2 16 000 32 000
- Ciments Holcim sacs 30 20 000 600 000
- Sable m3 12 15 000 180 000
- Gravier m3 12 25 000 300 000
- Buse en béton Ø200mm m 2 40 000 80 000
- Préparation du sol
- Main d’œuvre
500 000
1 000 000
500 000
1 000 000
Total 2 294 000
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 76
VIII.3.2. Les charges d’exploitation :
Les charges d’exploitation de production de biogaz est donnée par le
tableau ci-dessous.
Tableau 19 : Charges d’exploitation du biogaz
Désignations Quantité par cycle Quantité
annuelle P.U (Ar) Total (Ar)
Déchet de tabac [kg] 14850 207 900 50 10 395 000
Bouses de vache [kg] 1485 20 790 50 1 039 500
Eau [m3] 243 3 402 360 1 224 720
Frais du personnel 2 24 200 000 2 400 000
Charges décaissées = 15 059 220
Amortissements
annuels
1 003 948
Charges calculées = 1 003 948
Total des Charges 14 055 272
VIII.3.3. Chiffre d’affaire
La valeur du chiffre d’affaire annuel de l’exploitation est l’équivalent en
numéraire des résultats des activités de production de biogaz et de fertilisants
organiques. Elle est détaillée dans le tableau en bas.
Tableau 20 : Détails du chiffre d'affaire de production de biogaz
Produits
Production annuelle
dans les CNTP
(en m3 et en kg)
P.U (Ar)
Total (en Ar)
Biogaz 12 045 m3 2 730 32 882 850
Fertilisants 91 476 kg 1000 9 147 600
CA = 42 030 450
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 77
VIII.3.4. Compte d’exploitation
Les détails d’un compte d’exploitation constituent donc des éléments
importants pour tous les calculs économiques et financiers en matière de
détermination de la rentabilité d’un projet d’investissement. Ils permettent de
déduire les valeurs annuelles de la Marge Brute d’autofinancement qui sont des
paramètres clés.
Le tableau suivant renseigne sur le compte d’exploitation de production de biogaz,
l’unité est l’Ariary Ar.
Tableau 21 : Compte d’exploitation des activités de production de biogaz
Désignations Année 1 Année 2 Année 3 Année 4 Année 5
Valeur du biogaz 32 882 850 32 882 850 32 882 850 32 882 850 32 882 850
Valeur des fertilisants 9 147 600 9 147 600 9 147 600 9 147 600 9 147 600
Valeur Ajoutée brute 42 030 450
42 030 450
42 030 450
42 030 450
42 030 450
Déchet de tabac 10 395 000 10 395 000 10 395 000 10 395 000 10 395 000
Bouse de vache 1 039 500 1 039 500 1 039 500 1 039 500 1 039 500
Eaux de digestion 1 224 720 1 224 720 1 224 720 1 224 720 1 224 720
Main d’œuvre 2 400 000 2 400 000 2 640 000 2 640 000 2 904 000
Charges décaissées 15 059 220 15 059 220 15 299 220 15 299 220 15 563 220
Amortissement 1 003 948 1 003 948 1 003 948 1 003 948 1 003 948
Charges calculées 1 003 948 1 003 948 1 003 948 1 003 948 1 003 948
Total des charges 14 055 272
14 055 272
14 295 272
14 295 272
14 559 272
Résultats Imposables 27 975 178 27 975 178 27 735 178 27 735 178 27 471 178
Impôts 730 457 730 457 730 457 730 457 730 457
Résultats nets 27 244 721 27 244 721 27 004 721 27 004 721 26 740 721
MBA 27 244 721
27 244 721
27 004 721
27 004 721
26 740 721
MBA cumulées 27 244 721 54 489 442 81 494 163 108 498 884 135 239 605
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 79
VIII.3.5. Mesure de rentabilité en fin de la 1ère année
La situation de rentabilité du projet varie évidement en fonction du temps. Ainsi, la
mesure de performance de rentabilité invoquée ici présent concerne le terme de la
première année de fonctionnement des activités. Cette mesure est basée sur les
différentes valeurs des indicateurs de rentabilité.
Les résultats de calculs des valeurs de ces indicateurs de rentabilité
figurent dans le tableau 20, il indique tous une intéressante possibilité de
faisabilité économique de ce projet.
Tableau 22: Indicateurs de rentabilité de production de biogaz
Indicateurs Valeur Interprétations / Significations
VNA Ar 27 244 721
Il s’agit d’une importante valeur pour le flux généré
TRI 93,84 % Ce taux dépasse 18 %, l’investissement est donc rentable.
Ip 1,64 Cette valeur est supérieure à 1, la rentabilité est donc
confirmée
DRCI 6mois L’investissement initial est récupéré au bout de 6 mois
environ
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 80
VIII.4. Etude économique pour la production d’électricité [ANNEXE
XIV]:
La conversion totale du biogaz en électricité accroît l’investissement initial
et réduit les gains financiers par rapport à son utilisation directe. Durant les deux
premières années, le taux de référence 18 % ne sera pas encore dépassé.
VIII.4.1. Les investissements :
Les investissements nécessaires à la production d’électricité et les chiffres
d’affaires sont réunis dans les tableaux suivants.
Tableau 23 : Les investissements liés au projet d’électrification
Tableau 24 : Détails du chiffre d'affaire de production d’électricité
Produits
Production annuelle
(en KWh et en kg)
P.U (Ar)
Total (Ar)
Electricité 77 270 645 49 839 150
Fertilisants 91 476 kg 1000 9 147 600
CA = 58 986 750
Désignations Prix
Investissement de production de Biogaz Ar 14 295 272
Matériels de conversion du biogaz en électricité Ar 4 000 000
TOTAL Ar 18 295 272
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 81
VIII.4.2. Le compte d’exploitation :
Le compte d’exploitation est élucidé dans le tableau ci-dessous.
Tableau 25 : Compte d'exploitation de conversion énergétique
Désignations Année 1 Année 2 Année 3 Année 4 Année 5
Valeur de l’électricité 49 839 150 49 839 150 49 839 150 49 839 150 49 839 150
Valeur des fertilisants 9 147 600 9 147 600 9 147 600 9 147 600 9 147 600
Valeur Ajoutée brute 58 986 750
58 986 750
58 986 750
58 986 750
58 986 750
Charges pour biogaz
et générateur
18 055 272 18 055 272 18295272
18295272
18 559 272
Amortissement
générateur
266 666 266 666 266 666 266 666 266 666
Total des charges 18 321 938
18 321 938
18 561 938
18 561 938
18 825 938
Résultats Imposables 40664812
40664812
40424812
40424812
40160812
Impôts 884 802
884 802
884 802
884 802
884 802
MBA 39 780 010
39 780 010
39 540 010
39 540 010
39 276 010
MBA cumulées 39 780 010
79 560 020
119 100
030
158 640
040
197 916
050
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 82
VIII.4.3. Mesure de rentabilité en fin de la 3ème année :
Le tableau suivant indique la rentabilité du projet de production d’électricité.
Tableau 26 : Indicateurs de rentabilité en fin de la 3ème année
Indicateurs Valeur Interprétations / Significations
VNA Ar 131 100 030 C’est une valeur très prometteuse
TRI 91,8 % L’investissement est rentable
Ip 4,3 La rentabilité de l’investissement est confirmée
DRCI 3 ans 6 mois et 10
jours
La production d’électricité devient rentable après trois
années d’investissement.
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 83
Chapitre IX : Approche environnementale
La construction et l’exploitation d’une installation de production de biogaz
sont intéressantes sur le plan environnemental.
Madagascar ne produit pas encore des énergies fossiles telles que le gaz
naturel, le pétrole et le charbon alors que l’énergie électrique du pays reste encore
dépendante de ces combustibles. De plus, leur combustion rejette des émissions
dommageables pour l’environnement, comme le CO2.
La production d’électricité et de chaleur grâce au biogaz permet de
contribuer à la protection de l’environnement. En effet, le CO2 qui est émis lors de
la production de biogaz ne s’ajoute pas aux émissions déjà existantes.
La combustion des carburants fossiles (essence, diesel, kérosène, gaz,…)
disperse chaque année plus de 3 milliards de tonnes de CO2 dans l’atmosphère.
L’utilisation du biogaz comme carburant (biométhane) permet de supprimer les
rejets de fumées dans l’atmosphère et de réduire considérablement la pollution
sonore. Avec le biométhane, les composés les plus nuisibles pour l’environnement
(particules, hydrocarbures non méthaniques) sont absents.
Par exemple, le fait d’utiliser du biométhane pour alimenter des centrales
thermiques entraîne une réduction de 95% des particules émises, 99% de
composés soufrés et 70% des oxydes d’azote par rapport au bus diesel.
La biométhanisation permet de diminuer la charge en carbone des déchets
végétaux. Une fois digérés, les déchets sont moins nocifs pour l’environnement, le
risque d’une pollution organique est diminué.
De plus la fermentation diminue le pourcentage de matière sèche ce qui permet
de diminuer l’épandage de cette matière.
CONCLUSION
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 84
La société X S.A présente deux gros problèmes : l’un porte sur la logistique
de déchets de tabac issus de la production de la cigarette à partir de feuille de
tabac, et l’autre concerne la consommation d’électricité vis-à-vis de la JIRAMA
dont on connaît la qualité de service.
Une hypothèse a été mise en évidence : produire du biogaz à partir des
déchets de tabac et ensuite produire de l’électricité.
Des analyses de caractérisation des déchets de tabac ont été effectuées.
En fait, le substrat présente un rapport C/N =22/1, un taux de MS=95,65% et un
MV= 70,58% et un teneur en nicotine à 1,65%.
Des tests de biodigestion ont été conduits au CNRIT pendant 30j, et ont abouti à
l’obtention de biogaz. Trois hypothèses ont été formulés, et l’hypothèse n°3 a été
jugée satisfaisante : 37L de biogaz/600g de déchets. Ainsi 1kg de substrat peut
produire 60 L de biogaz. Pour valoriser les déchets, il est nécessaire de construire
un biodigesteur de 15m3 pour une production de 33m3/j et 198 KWh/j.
L’investissement pour avoir le biogaz est d’Ar 14 295 272 et Ar 18 295 272
si on veut une valorisation en électricité. Le TRI respectif est de 93,8% et 91,8%
pendant une durée de vie du projet de 15 ans.
Madagascar possède d’énormes ressources en biomasse qui restent mal
exploitées. La valorisation de ces ressources en biogaz doit être vulgarisée pour
résoudre le problème énergétique du pays.
La biométhanisation a un double effet positif sur l'environnement, en amont
en tant que traitement des déchets et effluents organiques, en aval pour réduire le
risque climatique global.
Dans l’avenir, il est indispensable de faire une étude de co-digestion
puisque les déchets seuls ne parviendront jamais à résoudre le problème.
Le co-substrat peut être les STEP, déchets d’abattoirs ou les substrats faciles à
trouvés et gratuites.
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 85
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES :
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LAVOISIER, Paris 1982 ;
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influence de la granulométrie du substrat (2ème colloque international de
technologie, Lomé 1981). Valorisation énergétique des végétaux et des sous-
produits animaux dans les zones rurales africaines » ;
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GRET, Dossier A, 71p, 1983 ;
[5] : BUGNICOURT J. : « Manuel du biogaz chinois », Paris : GRET, 125p,
1981 ;
[6] : BUNICOURT M. : « Dictionnaire de microbiologie générale », Paris : Ellipses,
1995 ;
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« La conversion bioénergétique du rayonnement solaire et les biotechnologies »,
LAVOISIER Technique et Documentation, 1982 ;
[8] : Dr XAVIER Cahours: « Technologie du tabac et de la cigarette », 2011 ;
[9] : Ernest W.Haltiner : « Biogaz 1982 » (Journée d’information du biogaz du 7
Octobre 1982 à Moudon). EST/UTS, Service Technique et Calcul, ASMFA, Zurich
1982 ;
[10] : Fréderic ROBER : « Les ressources énergétiques de notre planète ».
Edition DANGLES, St Jean de Braye, 1984 ;
[11] : GAUDY M. : « Manuel d’Agriculture Tropicale », La Maison Rustique, 2ème
édition, 1965 ;
[12] : Helmut MUCHE et HARALD Zimmermann : « Epuration du biogaz ». Une
publication de Gate à la GTZ, Vieweg et Sohn ESCHBORN, 1984 ;
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 86
[13] : LAGRANGE B. : « Biométhane : principes, techniques, utilisations », Aix-
en-Provence : EDISUD, Tome 2, 245p, 1979 ;
[14] : LARPENT J.P, LARPENT-GOURGAUD M. : « Mémento technique de
microbiologie », Paris : LAVOISIER Technique et Documentation, Tome 3, 1039p;
[15] : LEDUC B. : « L’utilisation du biogaz dans les brûleurs et les moteurs à
combustion interne ». Ecole Post-Universitaire de Développement et l’Université
de Madagascar ; Antananarivo 25 Mai- 5 Juin 1987, 3ème session biogaz. Institut
de Mécanique Appliquée. Université Libre de Bruxelles ;
[16] : MAEP UPDR – OCEAN CONSULTANT : « La filière tabac », juillet 2004 ;
[17] : MANOELY Hérvé : « Etude de faisabilité technico-économique de
production de biogaz et de fertilisant organique par méthanisation de fiente de
caille », Mémoire d’Ingénieur ESSA- Département IAA ; Octobre 2001 ;
[18] : PAUL Hubert : « Le tabac », Mars 1970.
[19] : PETIT Jacques : « Le compost : Théories et Pratiques », 3ème édition,
Mandeville, Québec, Edition: L’oiseau moqueur;
[20] : PREVOT A. : « Biosynthèse bactérienne du méthane et des pétroles pour
l’an 2000 », Paris : MALOINE, 103p, 1977;
[21] : RABEARISOA Tokiniaina : « Contribution à l’étude de valorisation
énergétique des sous-produits de l’exploitation du palmier à huile à Mellville
TAMATAVE ».Mémoire d’Ingénieur ESPA - Département Génie Chimique, 2005 ;
[22] : RAMAHERINJATOVO Simon et RAJERISON Tiana : « Contribution à la
valorisation de la laterite », Mémoire d’Ingénieur ESPA- Département Génie
Chimique 1987 ;
[23] : RANAIVOSOLOARIMALALA Alain et ANDRIANTAHIANA Ratefy
(Consultants nationaux) : « Rapport final : projet TCP/MAG/6652(T) : Technique
de production de biogaz ». FAO Juillet 1988 ;
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 87
[24] : RANDRIAMBOLOLONA Sabin : « Approches méthodologiques et
technologiques pour la diffusion et la vulgarisation de la technique de biogaz à
Madagascar ». Thèse de Doctorat ESPA – Département Génie Chimique, 2004 ;
[25] : RAVONINJATOVO Achille O. et RABEMANANTSOA Jean
R. : « Contribution à l’étude et à la conception de quelques appareils d’utilisations
du biogaz », Mémoire d’Ingénieur ESPA- Département Génie Chimique, 1988 ;
[26] : RAVONINJATOVO Achille O. et RANDRIAMBOLOLONA
Sabin : « Contribution à la valorisation énergétique, agricole et technique de la
jacinthe d’eau ». Mémoire de DEA- Département Génie Chimique, 1999;
[27]: SOURENE: « Energy as a tool for sustainable development for Africa »;
[28]: THRESSA C., STADTMAN, BARKER H.A.: « The origin of methane in the
acetate and methanol fermentation by Methanosarcina », Division of Plant
Biochemistry, University of California Berkley, 1950;
[29] : Uri MARCHAIM : « Les procédes de production pour le developpement de
technologies durables », Bulletin des services agricoles de la FAO, Rôme1995 ;
[30]: ZEIKUS J.G: « The biology of methanogenic bacteria. Bacteriological
reviews», 1977;
« Contribution à la valorisation de déchets de tabac en biogaz »
RANDRIANAIVOARIMALALA Mahery Arnaud Page 88
REFERENCES WEBOGRAPHIQUES:
[31]: http://www.wikipédia.fr/biogaz (15 mars 2012)
[32]:file://F:/8tabac.htm(15 mars 2012)
[33]:file://F:/8his-tab.htm(15 mars 2012)
[34] :file://F:/A%20-%20Description%20du%20digesteur%20chinois.htm (18 juin
2012)
[35] :file://méthanisation et production d’électricité/PDF (18 juin 2012)
[36] : file://Tazié Guy Maxime : « Etude technique d’une unité de biométhanisation
destinée à l’électrification rurale » /PDF (18 juin 2012)
[37] : file://Théoneste NKURUNZIZA : « Grandes lignes d’une formation en
technologie du biogaz »/ppt (18 juin 2012)
ANNEXES
Page a- 1 -
ANNEXE I : Sources de biomasse
Végétaux
canne à sucre, herbes, pailles
asséchées, déchets céréaliers (riz,
maïs ...)
Déchets d'origine animale Lisier de bétail (vache, cheval. boeuf,
mouton, porc…), fiente de volailles,
déchets d'abattoir (caillot de sang, rejet
de viande), déchets de pêche, fourrure et
laine
Déchets d'origine humaine Matières fécales, urine, ordures
domestiques, déchets papiers
Sous-produits agricoles et effluents
industriels
Huiles végétales, bagasse, rejets des
cultures de thé, déchets des industries de
tabac, déchets des usines agro-
alimentaires, Rejets (coton) des industries
textiles, boues des usines sucrières et
des stations d'épuration
Sous-produits forestiers Feuilles mortes, branches, écorces
Déchets aquatiques Algues marines, jacinthes, herbes
marines
Page a- 2 -
ANNEXE II : RAPPORT C/N DES
DIVERS DECHETS
Urine 0,8
Jus d'écoulement du fumier 1,9 - 3,1
Déchets d'abattoir mélangés 2
Sang 2
Matières fécales humaines 5 – 10
Matières végétales vertes 7
Humus, terre noire 10
Compost de fumier après 8 mois de fermentation 10
Gazon 10
Fientes de volailles 10
Déjections d'animaux domestiques 15
Compost de fumier mûr, 4 mois, sans adjonction
de terre
15
Fumier de ferme après 3 mois de stockage 15
Fanes de légumineuses 15
Luzerne 16 – 20
Fumier frais pauvre en paille 20
Déchets de cuisine 10-25
Fanes de pommes de terre 25
Compost urbain 34
Aiguilles de pin 30
Fumier de ferme frais avec apport de paille
abondant
30
Tourbe noire 30
Feuilles d'arbre (à la chute) 20-60
Déchets vers de plantes 20-60
Tourbe blonde 50
Paille de céréales 50 – 150
Paille d'avoine 50
Paille de seigle 65
Page a- 3 -
Ecorce 100-150
Paille de blé 150
Papier 150
Sciure de bois décomposée 200
Sciure de bois feuillus (jeunes feuilles)
(moyenne)
150 – 500
Calcul du rapport C/N d'un mélange :
Rm = Rapport C/N du mélange
R1 = Rapport C/N du composant
1 R2 = Rapport C/N du composant 2
n1 = Quantité du
composant1
n2 = Quantité du composant 2
Rm =
n1 * R1 + n2 * R2
n1 + n2
Page a- 4 -
Exemple 1 :
On mélange 2 brouettes de Gazon (C/N = 10) avec 1 brouette de branches broyées
(C/N = 70):
Le rapport C/N obtenu est de 30.
Bon pour le compost mais le est-il assez riche en matériaux structurant
Exemple 2:
On mélange 1 brouette de déjection de lapin (C/N = 15) avec 1 brouette de paille
(C/N = 65):
Le rapport C/N obtenu est de 40.
Un peu trop riche en Carbone mais le mélange est bien structuré...
Vous rajouterez des déchets azotés (par exemple : restes de salade) qui
compenseront le manque d'azote.
Rm =
2 * 10 + 1 * 70
=
90
3 3
Rm =
1 * 15 + 1 * 65
=
80
2 2
Page a- 5 -
ANNEXE III : Les autres procédés de
fermentation
Page a- 6 -
ANNEXE IV: types de digesteur
Digesteur type Chinois
Digesteur type Indien
Page a- 7 -
ANNEXE V : digesteur plug-flow
Page a- 8 -
ANNEXE VI : le tabac reconstitue
Page a- 9 -
ANNEXE VII : La teneur en eau h et de
la matière sèche
1. Définition :
La teneur en eau est la quantité d’eau perdue par la substance lorsqu’on
l’amène en équilibre vrai avec une pression de vapeur d ‘eau nulle dans des
conditions telles que des réactions de perturbations éventuelles soient évitées.
La méthode utilisée est celui de GUILBOT.
2. Méthode :
Cinq grammes d’échantillon sont introduits dans la capsule préalablement
séchée et pesée en étalant en une couche d’épaisseur uniforme.
Le tout est soumis à une dessiccation à l’étuve isotherme à 105°C.
Après refroidissement dans le dessiccateur, à gel de silice, la capsule est pesée,
la dessiccation se poursuit jusqu'à l’obtention d’une masse constante.
3. Mode de calcul :
La teneur en eau (H%), exprimée en grammes pour cent grammes
d’échantillon est donnée par la relation :
M0 : masse en gramme de la capsule vide
M1 : masse en gramme de la capsule, avec prise d’essai avant séchage
M2 : masse en gramme de la capsule, avec prise d’essai après séchage
La teneur en matières sèches est MS est donnée par la formule :
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ANNEXE VIII : détermination de la
matière volatile mv
1. Définition :
La matière volatile représente la partie organique de la matière sèche.
2. Principe :
La fraction organique du substrat se gazéifie (sous-forme de CO2) sous l’effet
de la calcination.
3. Méthode :
La MS est mise en calcination à 550°C pendant 24h. La perte poids
enregistrée donne la valeur de la MV.
4. Mode de calcul :
La formule utilisée est :
Cd : c’est la teneur en cendre
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ANNEXE IX : détermination du carbone
organique
1. Principe :
Les carbones organiques sont oxydés par un excès d’une solution de bichromate
de potassium en milieu acide. L’excès sera ensuite déterminé à l’aide d’une
solution de sulfate ferreux. Les réactions correspondantes seront les suivantes :
C(org) C++ CO2 + 4 e-
Cr2O72- + 14H++ 6 e- 2Cr3+ + 7H2O
Fe2+ Fe3++ e-
2. Réactifs :
Bichromate de potassium 1N : Dissoudre 49,04 g de K2Cr2O7 dans une fiole
jaugée de 1L avec de l’eau distillé et compléter le volume jusqu’au trait de
jauge.
Acide sulfurique concentré : 20 ml par échantillon.
Sulfate ferreux 0,5 N : Dissoudre 140g de sulfate ferreux (FeSO4, 7H20)
dans une fiole jaugée de 1L avec de l’eau distillé. Ajouter 15mL de H2SO4
concentré le volume à 1L avec de l’eau distillée.
Complexe ferreux-ortho-phénantroline 0,025 M : dissoudre 1,485 g d’ortho-
phénantroline monohydraté C12H8N2, H20 et 0,695 g de FeSO4, 7H2O dans
de l’eau distillé et compléter le volume à 100ml.
3. Procédure :
Peser à peu près 0,5 g de substrat et noter le poids exact. Le transférer
dans un erlenmeyer de 250mL.
Ajouter 10mL de bichromate de potassium 1N et faire tournoyer
l’erlenmeyer pour faire disperser le substrat dans la solution.
Ajouter rapidement 20mL de H2SO4 concentré. Tournoyer l’erlenmeyer puis
agiter vigoureusement pendant 1mn.
Laisser reposer pendant 30mm. Ajouter 200 ml d’eau distillée. Ajouter 4
gouttes d’ortho-phénantroline et titrer la solution avec FeSO4 0,5N.
La fin de la réaction s’observe par le virage d’une coloration verte intense
au rouge violacé.
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Faire un essai à blanc dans les mêmes conditions.
4. Calcul :
Avec : Ox : bichromate de potassium
Red : sulfate ferreux
Le taux de la matière organique étant obtenu par la formule simplifié suivante :
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ANNEXE X : Détermination de l’azote
total selon Kjeldahl
Principe :
On chauffe la substance avec de l'acide sulfurique concentré qui, à l'ébullition,
détruit les matières organiques azotées. Le carbone et l'hydrogène se dégagent à
l'état de C02 et H20, l'azote transformé en ammoniaque est fixé par l'acide
sulfurique à l'état de (NH4)2SO4. Le K2SO4 permet d'élever la température
d'ébullition de H2S04 jusqu'à 430°C. CuS04 sert de catalyseur. NH3 est ensuite
déplacé par une solution d'hydroxyde de sodium, entraîné à la vapeur et fixé à
l'état de borate, lequel est dosé par une solution titrée d'acide sulfurique.
Réactifs :
Indicateur mixte : dissoudre 0.0495 g de vert de bromocrésol et
0.033 g de rouge de méthyle 5 H dans 50 ml d'éthanol.
Solution d'acide borique à 2% : Dans une fiole jaugée de 2 L, dissoudre 40
g de H3BO3 dans 1800 ml d'eau distillée. Ajouter ensuite 40 ml de la
solution de l'indicateur mixte. Mélanger et ajuster le volume avec de l'eau
distillée jusqu'au trait de la jauge.
Mode opératoire :
Minéralisation de l'azote organique.
Dans un tube de digestion, introduire 0,1g de produit broyé à 0.5 mm de
diamètre,
Catalyseur de minéralisation et 10 ml d'acide sulfurique concentré.
Placez le tout dans un bloc de digestion à 430 °C pendant 30 minutes
Après refroidissement, transvaser le contenu du tube de digestion dans
une fiole de 50 ml. Ajuster au trait de la jauge avec de l'eau distillée.
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Distillation de l'azote
Dans l'appareil à distillation, introduire 10 ml de la prise d'essai et 10 ml de
la solution de soude.
Recueillir le distillât dans un erlenmeyer de 125 ml contenant 20 ml de la
solution d'acide borique à 2%.
Effectuer le dosage avec la solution d'acide sulfurique à 0,01N.
Un témoin est préparé dans les mêmes conditions.
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Expression des résultats :
Soient :
Va : le volume de la solution d'acide sulfurique versé pour l'échantillon
N : sa normalité
Vo : le volume de la solution d'acide sulfurique versé pour le témoin
La quantité d'acide pour neutraliser la solution sera : V = Va - Vo
L'équivalence de l'azote Kjeldahl dans la prise d'essai est égale à : N x V
Soit dans la solution à analyser : N.V.50/10
Comme la masse d'un milliéquivalent d'azote étant 14 mg, la quantité d'azote
dans 1 g de déchet sera : (N.V.50/10) x 14 x 10-3 g
Dans 100 g de déchet, la quantité de N Kjeldahl sera :
N = (N x V x 50 / 10) x 14xl0 -3xl00g .
Comme N = 0.01 N, alors : N% = V x 0.07
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ANNEXE XI : Détermination du taux de
nicotine
1. Précautions :
En raison de l’extrême toxicité de la nicotine : toutes mesures de sécurité devront
prises. Le travail sera effectué en permanence sous une hotte en bon état de
marche, en portant des gants, une blouse, des lunettes de protection et un
masque à gaz.
2. Mode d’extraction de la nicotine par entrainement à la vapeur d’eau :
Le montage à effectuer :
Prendre un ballon de 250mL, ajouter 5g de tabac puis verser 50mL
d’une solution aqueuse de NaOH à 30% de lessive;
Placer le ballon sur un chauffe ballon, raccorder au ballon une
colonne vigreux, puis terminer le montage ;
Vérifier que la réfrigérante marche bien, démarrer le chauffage. La
distillation est terminée après 3h de temps ;
Le distillat est de couleur jaune et en une seule phase parce que la
nicotine est soluble dans l’eau ;
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Verser le distillat dans une ampoule à décanter et la nicotine est
extraite par trois (03) portions successives de 20mL de DCM.
La phase organique se colore en jaune tandis que la phase aqueuse
devient incolore. La nicotine est passé dans le solvant organique ;
Les phases organiques sont rassemblées, séchées sur NaSO4 puis
filtrées ;
Le filtrat est ensuite concentré sous vide à l’évaporateur rotatif ;
Peser un petit flacon et tarer la balance de précision, ajouter la
nicotine puis lire la valeur.
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ANNEXE XII: La construction du
biodigesteur
1. Piquetage : pour déterminer le centre du digesteur
2. Creusement
3. Coulage du béton du radier
4. Elévation des murs et fixation du tuyau d’entrée
5. Construction du dôme
6. Construction du bassin de sortie
7. Crépissage interne de l’ensemble : 2 couches de 2cm
d’épaisseur chacune
8. Crépissage externe du dôme
9. Lissage interne avec le lait de ciment : 7 couches
10. Fabrication des couvercles
11. Fixation des couvercles et test d’étanchéité
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ANNEXE XIII : Tarifs du prix de
l’électricité de la JIRAMA
Catégorie Eléments tarifaires Unité
Tarifs
Zone 1 Zone 2 Zone
3
HA
UTE
TE
N S
ION
(HT)
Tarif HT
LONGUE
UTILISATION
Prime fixe
Energie
Redevance
Ar/kW
Ar/kWh
Ar
31 000
125
142 000
Tarif HT
HORAIRE
Prime fixe
Prix énergie
POINTE
Prix énergie JOUR
Prix Energie NUIT
Redevance
Ar/kW
Ar/kWh
Ar/kWh
Ar /kWh
Ar
Ar
31 000
405
90
47
161 250
MO
YE
NN
E T
EN
SIO
N (M
T)
MT
Indu
strie
lles
Tarif MT
LONGUE
UTILISATION
Prime fixe
Prix énergie
Redevance
Ar/kW
Ar/kWh
Ar
30 520
140
125 000
20 000
300
125
000
16 500
495
125
000
Tarif MT
COURTE
UTILISATION
Prime fixe
Prix énergie
Redevance
Ar/kW
Ar/kWh
Ar
30 520
190
125 000
20 000
327
125
000
16 500
520
125
000
Tarif MT
HORAIRE
Prime fixe
Prix énergie
POINTE
Prix énergie JOUR
Prix Energie NUIT
Redevance
Ar/kW
Ar/kWh
Ar/kWh
Ar/kWh
Ar
24 500
410
90
70
145 000
20 000
480
295
240
145
000
16 500
620
480
450
145
000
MT
Aut
res
Tarif MT
LONGUE
UTILISATION
Prime fixe
Prix énergie
Redevance
Ar/kW
Ar/kWh
Ar
30 520
215
125 000
20 000
400
125
16 500
590
125
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000 000
Tarif MT
COURTE
UTILISATION
Prime fixe
Prix énergie
Redevance
Ar/kW
Ar/kWh
Ar
30 520
235
125 000
20 000
403
125
000
16 500
610
125
000
Tarif MT
HORAIRE
Prime fixe
Prix énergie
POINTE
Prix énergie JOUR
Prix Energie NUIT
Redevance
Ar/kW
Ar/kWh
Ar/kWh
Ar/kWh
Ar
27 500
475
160
100
145 000
20 000
480
354
345
145
000
16 500
620
550
530
145
000
BA
SS
E TE
NS
ION
(BT)
Tarif BT
GENERAL
Autres
Prime fixe
Prix énergie
Redevance
Ar/kW
Ar/kWh
Ar
2 975
236
7 700
2 560
405
7 700
1 540
547
7 700
Tarif BT
GENERAL
Résidentiels
Prime fixe
Prix
énergie<130kWh
Prix
énergie>130kWh
Redevance
Ar/kW
Ar/kWh
Ar/kWh
Ar
2 710
205
276
6 450
1 740
368
410
6 450
1 275
490
550
6 450
Tarif BT Eco
Non
Résidentiels
Ps < 3 kW
Prix énergie<25kWh
Prix énergie>25kWh
Redevance
Ar/kWh
Ar/kWh
Ar
151
645
778
151
720
778
151
773
778
Tarif BT Eco
Résidentiels
Ps < 3 kW
Prix énergie<25kWh
Prix énergie>25kWh
Redevance
Ar/kWh
Ar/kWh
Ar
141
620
778
141
689
778
141
737
778
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ANNEXE XIV : Détails des calculs
financiers
Hypothèse de calcul
- La capacité du digesteur à dôme fixe est 15 m3.
-Le temps de rétention hydraulique est de 27 jours (1 cycle), ce qui
correspondrait à une possibilité de réalisation de 14 cycles en une année
Immobilisation
La valeur de l’investissement initial, nécessaire à l’installation des
infrastructures de production de biogaz est Ar 2 294 000.
Fonds débiteurs
A. Substrats : déchet de tabac
Prix unitaire = Ar 50 le kg
Besoins : 14 850 Kg par cycle
Besoins annuels totaux pour 14 cycles = 207 900kg
B. Ferments bouse de vaches
Prix unitaire = Ar 50 le kg
Besoins : 1485 kg par cycle
Besoins annuels totaux pour 14 cycles = 20 790 kg
Prix total = Ar 10 395 000
Prix total = Ar 1 039 500
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C. Milieu réactionnel : eau de la JIRAMA
Prix unitaire = Ar 360 le m3
Besoins : 243 m3 par cycle
Besoins annuels totaux pour en 14 cycles = 3 402 m3
D. Main d’œuvre (Deux personnes sont nécessaires pour le suivi et
l’entretien)
Prix unitaire = Ar 100 000 / mois la 1ère année (augmente de 15 % tous
les 2 ans)
E. Amortissements
L’investissement initial est de 14 055 272
Pour une durée de vie de 15 ans, l’amortissement annuel est d’Ar
1 003 948
F. Impôts
Pour une activité agricole, la valeur de l’IBS est égale à Ar 100 000
additionnée à 15 °/oo du chiffre d’affaire. La valeur annuelle de l’IBS est
donc Ar 258 628.
Prix total = Ar 1 224 720
Prix total = Ar 2 400 000 pour la 1ère année
Valeur total des charges = Ar 14 055 272 / an
Amortissement = 1 003 948 / an
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Fonds créditeurs
A. Fertilisants
Prix unitaire = Ar 1000 le kg
Production annuelle pour les 14 cycles de fermentation = 91 476 kg
B. Biogaz
Prix unitaire = Ar 2 730 le m3
Production expérimentale 37 L en 27 jours pour un réacteur de 3,5 litres
Pour un réacteur de 15 m3, la production annuelle est 12 045 m3.
La recette en biogaz est Ar 32 882 850
Mesure de performance de rentabilité
A. Taux de rentabilité interne
Le Taux de Rentabilité Interne (TRI) est la valeur du taux
d’actualisation pour laquelle le bénéfice actualisé est nul.
Valeur totale des fertilisants = Ar 9 147 600
Total des Recettes (biogaz + fertilisants) = Ar 42 030 45
n = p
0 = Σ MBA j (1 + i) – n - C
n = 1
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D’après nos calculs, l’investissement initial de l’exploitation est Ar
14 055 272.
La définition du TRI indique un bénéfice nulle (B = 0)
- 14 055 272+ 27 244 721 / (1+i) = 0
14 055 272(1+i) = 27 244 721
14 055 272.i = 27 244 721 – 14 055 272.
14 055 272.i = 13 189 449 i = 0,938 ou i % = 93.8 %
Le taux de rentabilité est donc de 99,8 %
B. Indice de profitabilité
L’indice de profitabilité (Ip) d’un investissement est défini comme étant le
quotient de la somme des cashs – flows (flux générés) actualisés par le
montant du capital investi.
Ip = 27 244 721 / (1 + 0,18) /14 055 272 Ip = 1,64
C. Durée de récupération des capitaux investis
Le cumule de la marge brute d’autofinancement atteint la valeur
Ar 27 244 721 ducapital investi après environ 6 mois de fonctionnement
des activités de production.
Mesure de performance de rentabilité dans la conversion en électricité :
A. Valeur Actuelle Nette (VAN)
n = p
Ip = ΣMBA n (1 + t) – n C
n = 1
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La valeur nette actuelle à la fin de la troisième année d’exercice est
Ar 119 100 030.
B. Taux de rentabilité interne (TRI)
Le capital initialement investi de Ar 18 561 938 génère un flux net positif
d’une valeur Ar 119 100 030 de à la fin de la troisième année de
fonctionnement des activités d’exploitation.
La définition du TRI indique un bénéfice nulle (B = 0)
- 18 561 938 + 119 100 030 / (1+i) 3 = 0
- 18 561 938= - 119 100 030 / (1+i) 3
(1+i) 3 =119 100 030 / 18 561 938
(1+i) 3 = 7.06
(1+i) = 1.91 i = 0,91 ou i % = 91 %
Le taux de rentabilité est donc de 91 % à partir de la troisième année
de fonctionnement
C. Indice de profitabilité (Ip)
Ip =119 100 030 / (1 + 0,18)3 /18 561 938 Ip = 4.3
D. Durée de Récupération du Capital investi (DRCI)
Le capital initialement investi sera récupéré au bout de 3 ans environ de
fonctionnement des activités de production lorsque toutes les prévisions se
déroulent convenablement.
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ANNEXE XV : ADAPTATION MOTEUR
DIESEL AU BIOGAZ
Conception du mélangeur (air/biogaz):
Le mélangeur permet :
• d’avoir un mélange homogène (air + biogaz) dans les cylindres,
• d’avoir un même ratio (air/biogaz) dans chaque cylindre.
Le mélangeur (air/biogaz) est installé entre le filtre à air et l'admission d'air du
moteur
TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS .................................................................................................. i SOMMAIRE .............................................................................................................. iii GLOSSAIRE ............................................................................................................. iv LISTE DES ACRONYMES ET ABREVIATIONS ................................................ v LISTE DES TABLEAUX ....................................................................................... vii LISTE DES FIGURES : ......................................................................................... ix LISTE DES PHOTOS .............................................................................................. x LISTE DES ANNEXES : ........................................................................................ xi
INTRODUCTION ....................................................................................................... 1
PARTIE I : ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE I : LE BIOGAZ ............................................................................................ 5
I.1. HISTORIQUE ...................................................................................................... 5
I.2. DÉFINITION ......................................................................................................... 6
I.3. LA COMPOSITION DU BIOGAZ ET SES CARACTÉRISTIQUES ....................... 6
I.4. EQUIVALENCE DU BIOGAZ AVEC LES AUTRES COMBUSTIBLES ............... 9
I.5. LES UTILISATIONS DU BIOGAZ ........................................................................ 9
I.5.1. La production de chaleur................................................................. 10 I.5.2. Le biogaz carburant : ...................................................................... 10 I.5.3. La production d’électricité : ............................................................. 10 I.5.4. Autres utilisations : .......................................................................... 11 I.5.5. Le digestat : .................................................................................... 11
I.6. EPURATION DU BIOGAZ .................................................................................. 12
I.6.1. La biofiltration : ................................................................................ 12 I.6.2. L’adsorption : .................................................................................. 12 I.6.3. L’absorption : .................................................................................. 12 I.6.4. L’épuration par circulation du biométhane sur une masse de limaille de fer : ........................................................................................................... 13 I.6.5. La cryo-condensation : .................................................................... 14 I.6.6. La séparation membranaire : .......................................................... 14
I.6.7. La condensation le long de la conduite : ......................................... 14 CHAPITRE II : LE PROCESSUS MICROBIOLOGIQUE DE LA
BIOMÉTHANISATION .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
II.1. MÉTABOLISME DE FERMENTATION MÉTHANIQUE .................................... 15
II.1.1. Etape 1 : Hydrolyse ........................................................................ 15 II.1.2. Etape 2 : Acidogenèse ................................................................... 17
II.1.3. Etape 3 : Acétogenèse ................................................................... 18 II.1.4. Etape 4 : Méthanogenèse .............................................................. 19
II.2. LES CONDITIONS NÉCESSAIRES À LA FERMENTATION MÉTHANIQUE ... 22
II.2.1. Condition anaérobiose et potentiel d’oxydoréduction ..................... 22 II.2.2. L'agitation des substrats dans le digesteur .................................... 22 II.2.3. La température des substrats dans le digesteur ............................ 23 II.2.4. Le potentiel hydrogène :................................................................. 25 II.2.5. La teneur en matière sèche ou MS : .............................................. 25 II.2.6. Le rapport C/N des matières organiques : ..................................... 26 II.2.7. Taux de Charges en matières organiques ..................................... 26 II.2.8. Taux de dilution des matières premières dans l’eau : .................... 27 II.2.9. Durée d'un cycle de production de biométhane : ........................... 27 II.2.10. Emploi de levains ou inoculum (ensemencement) et prétraitement des substrats : .......................................................................................... 28 II.2.11. L'élimination des substances inhibitrices à la biométhanisation ... 29
CHAPITRE II I - LES PROCÉDÉS DE BIOMÉTHANISATION : . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
III.1. LE PROCÉDÉ DISCONTINU ........................................................................... 31
III.2. LE PROCÉDÉ CONTINU ................................................................................. 32
III.3. LES AUTRES PROCÉDÉS ............................................................................. 32
III.4. LES BIODIGESTEURS ................................................................................... 33
III.4.1. Le modèle chinois ou dôme fixe .................................................... 33 III.4.2. Le modèle indien ou cloche flottante ............................................. 33 III.4.3. Le digesteur hybride indo-chinois : ............................................... 34 III.4.4. Le digesteur Plug-flow................................................................... 34 III.4.5. Le digesteur en ballon plastique : ................................................. 34
CHAPITRE IV : LE TABAC ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
IV.1. ETUDE BOTANIQUE ...................................................................................... 35
IV.2. HISTORIQUE ET ORIGINE DU TABAC ......................................................... 37
IV.3. LE MODE DE CULTURE ................................................................................ 38
IV.4. LE SÉCHAGE DE LA FEUILLE ...................................................................... 38
IV.4.1. Le séchage au soleil : ................................................................... 38
IV.4.2. Le séchage à air naturel : ............................................................. 39
IV.4.3. Le séchage à l’air chaud : ............................................................. 40
IV.4.4. Le séchage au feu : ...................................................................... 40
IV.5. LA COMPOSITION CHIMIQUE DU TABAC ................................................... 41
CHAPITRE V : LA TRANSFORMATION INDUSTRIELLE DU TABAC : LA
CIGARETTE .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
V.1. LA CONSTRUCTION D’UNE CIGARETTE ...................................................... 44
V.2. LA STRUCTURE DES MÉLANGES ................................................................ 45
V.2.1. La blonde : ..................................................................................... 45
V.2.2. Le brun : ........................................................................................ 46
V.2.3. Les sauces : .................................................................................. 46
V.2.4. Les arômes : .................................................................................. 46
V.3. LE PAPIER ...................................................................................................... 47
V.4. LE FILTRE ....................................................................................................... 48
V.5. LES DÉCHETS DE TABAC ............................................................................. 48
PARTIE II : ETUDES EXPERIMENTALES ET ETUDE DE
PREFAISABILITE
CHAPITRE VI : ETUDES EXPÉRIMENTALES .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
VI.1. ANALYSE DU SUBSTRAT : ........................................................................... 51
VI.1.1. Teneur en matières sèches MS et l’humidité H ........................... 51
VI.1.2. Teneur en matières volatiles MV .................................................. 51
VI.1.3. Rapport C/N : ................................................................................ 51
VI.1.3.1. Taux de carbone C .................................................................... 52
VI.1.3.2 Taux d’azote N .......................................................................... 52
VI.1.4. Taux de nicotine .......................................................................... 52
VI.2. LA BIODIGESTION DU DÉCHET DE TABAC :............................................... 53
VI.2.1. Les dispositifs expérimentaux : ..................................................... 53
VI.2.2. Les conditions expérimentales : ................................................... 54
VI.2.3. Les données expérimentales : ...................................................... 55
VI.2.4. Les résultats : ............................................................................... 56
CHAPITRE VII - ETUDE DE PREFAISABILITE: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
VII.1. LA POTENTIALITÉ EN SUBSTRAT, EN BIOGAZ DU SITE : ........................ 65
VII.2. LE BESOIN ÉNERGÉTIQUE DE L’USINE ET LA VALORISATION DU BIOGAZ:
................................................................................................................................. 65
VII.3. LE CHOIX DU DIGESTEUR : ......................................................................... 66
VII.4. LES DIMENSIONS DU DIGESTEUR : ............................................................ 66
VII.5. LES ÉLÉMENTS DES INSTALLATIONS DE PRODUCTION ........................ 71
VII.5.1. Digesteur ..................................................................................... 71
VII.5.2. Tuyauteries en PET ..................................................................... 71
VII.5.3. Clapet anti-retour ......................................................................... 71
VII.5.4. Robinet tournant .......................................................................... 71
VII.5.5. Système d’épuration .................................................................... 72
VII.5.6. Générateur électrique à biogaz / Centrale à biogaz .................... 72
PARTIE III : ETUDES ECONOMIQUES, APPROCHE
ENVIRONNEMENTALE
CHAPITRE VIII : ETUDES ÉCONOMIQUES .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
VIII.1. LES CRITÈRES DE RENTABILITÉS : .......................................................... 75
VIII.1.1. Marge Brute d’Autofinancement (MBA) ...................................... 75
VIII.1.2.Valeur Nette Actualisée (VNA) .................................................... 75
VIII.1.3. Taux de Rentabilité Interne (TRI) ............................................... 76
VIII.1.4. Indice de Profitabilité (Ip) ............................................................ 76
VIII.1.5. Durée de Récupération des Capitaux Investis (DRCI) ............... 76
VIII.2. LES ÉLÉMENTS D’ÉVALUATION FINANCIÈRE : ........................................ 76
VIII.2.1. Emplois débiteurs du projet ........................................................ 77
VIII.2.2. Investissement ou Capitaux investis ........................................... 77
VIII.2.3. Charges de l’exploitation ............................................................ 77
VIII.2.4. Ressources du projet .................................................................. 78
VIII.2.5. Hypothèses de calcul.................................................................. 78
VIII.3. ETUDE ÉCONOMIQUE DE LA PRODUCTION DE BIOGAZ ET DE
FERTILISANT ......................................................................................................... 79
VIII.3.1. L’investissement lié au biodigesteur : ......................................... 79
VIII.3.2. Les charges d’exploitation : ........................................................ 80
VIII.3.3. Chiffre d’affaire ........................................................................... 80 VIII.3.4. Compte d’exploitation ................................................................. 81
VIII.3.5. Mesure de rentabilité en fin de la 1ère année ............................. 82
VIII.4. ETUDE ÉCONOMIQUE POUR LA PRODUCTION D’ÉLECTRICITÉ ........... 83
VIII.4.1. Les investissements : ................................................................. 83
VIII.4.2. Le compte d’exploitation : ........................................................... 84
VIII.4.3. Mesure de rentabilité en fin de la 3ème année : ......................... 85
CHAPITRE IX : APPROCHE ENVIRONNEMENTALE .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
CONCLUSION ........................................................................................................................ 87
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES : ...................................................... 89
REFERENCES WEBOGRAPHIQUES : ........................................................ 92
ANNEXES
TABLE DES MATIERES
AUTEUR : RANDRIANAIVOARIMALA Mahery Arnaud
TITRE DU MEMOIRE : « CONTRIBUTION A LA VALORISATION DE DECHETS DE TABAC EN BIOGAZ »
NOMBRE DE PAGES : 87
NOMBRE DE TABLEAUX : 26
NOMBRE DE FIGURES : 14
NOMBRE DE PHOTOS : 15
RESUME :
L’étude a été orientée sur la caractérisation du déchet de tabac afin d’évaluer sa productivité en biogaz. Les déchets de tabac constituent un substrat pour la production de biogaz.
Le substrat contient 95,65% de MS ; 70,58% de MO ; un rapport C/N= 22/1. La nicotine est à 1,65%.
La mise en fermentation anaérobique des déchets, effectuée à l’échelle laboratoire en mode discontinu, a procuré un résultat concluant : 37L de biogaz/600g de substrat pendant 3Oj.
Les conditions de fermentation sont : température à 37°C, pH= 7,8 et un apport en levain de 10% en masse (bouse de vache).
MOTS-CLES : biogaz, déchet de tabac, biodigesteur, fermentation méthanique, méthane.
TITTLE: « Contribution to the valorization of the waste of tobacco to biogas »
SUMMARY:
The study was directed towards the characterization of the waste of tobacco in order to evaluate its biogas productivity. The waste of tobacco constitutes a substrate for the production of biogas.
The substrate contains 95.65% of SM, 70.58% of OM, a report C/N= 22/1. Nicotine is 1.65%. The setting in anaerobic fermentation of waste, carried out on laboratory scale in batch mode, got a conclusive result: 37L of biogas /600g of substrate during 3O days.
The conditions of fermentation are: temperature 37°C, pH= 7.8 and one leaven contribution of 10% in mass (dung of cow)
KEY WORDS: biomethanation, waste tobacco, methane, biogas.
ENCADREUR : Docteur RAHARIJAONA Tovo Robin
ADRESSE DE L’AUTEUR : Lot VR 21 MAHAZOARIVO 101
Tél:0343966613-0337277802
Couriel:[email protected]