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        A/ Etapes :

 

La Méthanisation (ou digestion anaérobie) est basée sur la reproduction du système de digestion humaine ou animale afin de générer un gaz combustible.

Cette production est réalisée dans une unité de méthanisation, plus exactement, dans une ou plusieurs cuves hermétiques équipées de chauffage interne et isolées thermiquement aussi appelées des digesteurs, qui s’occupent de faire fermenter la matière organique.

 

Elle se déroule en plusieurs étapes :

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  • Hydrolyse :

Lors cette première étape, tout comme dans les intrants, la matière organique complexe se trouve sous forme de polymère (lipides, protéines et glucides) et de macromolécules. Elle va être décomposée en molécules plus simples sous l’effet de l’eau (H2O).

 

  • Acidogénèse :

Ici, les produits formés lors de l’hydrolyse vont être transformés en acides gras volatils, en alcools, dihydrogène, dioxyde de carbone et sulfure d’hydrogène par l’action des micro-organismes acidogènes. L’étape d’acidogénèse est rapide en raison de la forte croissance de la flore acidogène. En effet, celle-ci représente 91% de la population microbienne lors de la méthanisation.

La formation d’acides gras étant importante, elle va entraîner une diminution du PH jusqu’à 4 lors de cette phase.

 

  • Acétogénèse :

Durant cette phase, les bactéries acétogènes et homoacétogènes (créatrices d’acides acétiques) vont transformer les composés acidogènes vu précédemment en acétate, hydrogène et dioxyde de carbone, qui seront utilisables par la microflore méthanogène.

La quantité importante d’acides gras volatils formés lors de l’acidogénèse va être consommé pendant l’acétogénèse, ce qui entraînera l’augmentation du PH.

 

  • Méthanogénèse :

Lors de cette dernière étape, des micro-organismes méthanogènes vont conduire à la formation de méthane (CH4). Ces micro-organismes peuvent être hydrogénotrophes (utilisation du dihydrogène comme substrat) ou acétotrophes (utilisation des acétates comme substrat).

 

Réaction hydrogénotrophe :

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CO2 + 4 H2   →  CH4 + 2 H2O

(Dioxyde de carbone + Dihydrogène)  →  (Méthane + Eau)

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Réaction acétotrophe :

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CH3COOH  →  CH4 + CO2

(Acétate) → (Méthane + Dioxyde de carbone)

     C/ Expérience :

 

Dans le but d’enrichir notre production, nous avons réalisé une expérience qui consistait à faire un petit méthanisateur. Après quelques recherches sur Internet, nous avons trouvé un site qui proposait un protocole.

 

Voici la liste de matériel dont nous avions besoin :

  • Une perceuse avec une mèche pour fer, de 5mm de diamètre (bien affûtée).

  • Un cutter pour couper les tuyaux en plastique et inciser la bouteille de 5L.

  • Un réacteur : Bouteille de soda ou de boisson gazeuse à grosse bulle de 33 ou 55cL, avec un plastique épais pour l’étanchéité.

  • Le collecteur de biogaz : Bouteille de même référence que la précédente mais en modèle de 2L.

  • Un support : Une grosse bouteille de 5L.

  • Tuyaux : environ 1m20, genre cristal plastique transparent et de 6mm d’épaisseur externe.

 

Toutefois, lors de l’expérience, nous n’avions pas de perceuse ni de cutter. Nous avons donc utilisé un scalpel fournis par notre professeur de SVT. Le réacteur a été remplacé par une bouteille de 50cL. Une fois les outils en main, nous pouvions commencer la préparation des 3 bouteilles et du cycle de méthanisation.

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Premièrement, nous avons gradué tous les 10cL la bouteille qui collecte le biogaz avec un marqueur et à l’aide d’un gobelet doseur pour quantifier les productions de Biogaz. Nous avons donc tracé un trait, avec un feutre fin indélébile, tout les 10cL d’eau que nous versions. Cette opération de graduation s’est faite avant le montage à l’envers.

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Ensuite, les bouchons de la bouteille de 50cL et de 2L devaient être percés. Au début, nous avons tenté de percer le bouchon de la bouteille de 2L en 2 points espacés de 3mm à l’aide du scalpel. Voyant que c’était trop compliqué et long, nous avons pris des bouchons possédant déjà des trous au laboratoire de notre lycée. Le 1er avec 2 trous était destiné à la bouteille de 2L et le second, avec un seul trou, à la bouteille de 50cL. Nous avons dû forcer un peu pour faire rentrer les tuyaux car les trous étaient serré pour éviter les fuites. Par ailleurs, la bouteille de 5L devait être incisée d’environ 3cm du sommet. Ce trou permettait de faire passer un 1er tuyau du réacteur (bouteille de 50cL) et arrivé en hauteur au collecteur (bouteille de 2L).

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Concernant l’installation des tuyaux, nous avons d’abord coupé le tuyau de 1m20 en 2 : l’un faisait 80cm et l’autre 40cm. Le tuyau de 80cm partait du bouchon du réacteur, tout en dépassant de 5mm en dessous de celui-ci, traversait le haut de la bouteille de 5L puis remontait par le bouchon de la bouteille de 2L pour arriver tout en haut de celle-ci.

Le second tuyau, débutait au fond du support et traversait, lui aussi, le bouchon du collecteur, il dépassait donc de 5mm au dessus de ce même bouchon. Ce tuyau permettait de faire couler l’eau, évacuée par le biogaz.

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Après cela, nous avons rempli la bouteille de 5L qui servait de support, d'au moins 3L pour qu’elle soit stable. Le collecteur quant à lui devait être plein, sans air et hermétique. Ce dernier devait être placé à l’envers au dessus du support. La mise en place fut complexe car il ne fallait surtout pas le comprimer ou laisser passer de l’air.

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Pour finir, le réacteur devait être rempli de matières fermentescibles. Dans notre cas, nous avons mélangé du marc de café en dosette, des quartiers de clémentines, de la banane et de la pomme.

Nous n’avions pas de mixeur donc, pour écraser le tout, nous nous sommes servis d’un mortier-pilon disponible dans le laboratoire de notre lycée. Cependant, les peaux de bananes et de pommes ont dû être enlevées car nous ne pouvions pas les broyer. Seule la chair nous a donc servit.

 

Le petit méthanisateur a été placé, par la suite, près d’une fenêtre, la lumière du soleil favorisant la décomposition et la fermentation des matières organiques.

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Comme chaque protocole, nous avions des consignes de sécurité à respecter. Celui-ci nous demandait de faire l’expérience dans un lieu à l’écart d’une source de chaleur, et sous la surveillance d’un adulte.

En effet, bien que le biogaz ne possède pas d’énormes risques, il reste tout de même un gaz combustible. Il est donc capable d’exploser dans certaines circonstances, notamment si il est exposé à l’air libre. Lors de l'expérience, il ne devait donc pas être contenu dans un récipient avec de l’air puisqu’il aurait pu devenir explosif en présence d’une flamme. Nous devions donc veiller à ce que la bouteille qui collectait le biogaz durant l’expérience, ne contienne pas d’air.

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C’est là où notre expérience n’a pas fonctionnée.

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Effectivement, le trou situé dans  la bouteille de 5L, où passait le tuyau relié au réacteur n’était pas hermétique. Il produisait donc un appel d’air qui faisait couler l’eau de la bouteille de 2L dans celle de 5L de façon anormal. Par conséquent, le biogaz n’avait pas le temps de se former.

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Dans ce même protocole, il nous expliquait la façon de faire des relevés de biogaz puis ensuite, de tester sa combustion. Là encore, nous devions faire attention et porter des protections (gants et lunettes) et faire le test en extérieur et sans vent.

     B/ Prolifération des bactéries :

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Afin d’illustrer l’évolution des bactéries, nous allons étudier, grâce à une suite mathématique, leur augmentation constante (en pourcentage).

Nous n'avons pas réussi à obtenir des chiffres précis, l'unité visité ainsi que les personnes jointes n'ont pas voulu nous les communiquer, puisqu’ils étaient classés confidentiels.

Nous avons donc cherché des valeurs sur internet, les chiffres trouvés sont : 42°C et 50%, ils nous permettent alors de présenter un calcul plutôt concret même si ce n'est pas aussi précis que si nous avions eu les chiffres exacts.

On estime que la population d’une certaine bactérie, les Mésophiles, dans un milieu donné, soit à 42°C, et augmente de 50% chaque semaine.

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  • Prenons, le nombre de bactéries au jour 0,  évalué à 2000.

  • On note Pn le nombre d’individus le jour n.

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     On a donc :

j0 : P0 = 2000

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j1 : P1 = 2000+2000×(50/100)

= 2000+2000×0,5

=3000                

Il y a donc, 3000 bactéries le jour 1.

 

j2 : P2 = P1×1,5

= 2000×1,5^2

= 4500

Il y a donc, 4500 bactéries le jour 2.


j3 : P3 = P2×1,5

= 2000×1,5^3

= 6750

Il y a donc, 6750 bactéries le jour 3.

 

On peut donc affirmer que l’on a une suite géométrique de raison 1,5.

jn : Pn = 2000×1,5^n  est donc le calcul de cette suite.

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Par exemple, le nombre de bactéries au jour 7 serait :

j7 : P7 = 2000×1,5^7

 = 34 171.875

Il y aurait donc environ 34 171 bactéries au bout d’une semaine.

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