Biomethanation of syngas, kinetic study and pilot scale implementation
Biomethanation du syngas, étude cinétique et mise en œuvre à l'échelle pilote
Résumé
In a context of circular economy, the energetic valorisation of heterogeneous and woody waste in the form of syngas thanks to pyro-gasification is a promising strategy at the territorial scale. The obtained syngas, composed mainly of N2, H2, CO and CO2 can then be upgraded into methane by biomethanation. Biomethanation is the biological conversion of H2 and CO or CO2 into methane. This allows to improve the calorific value of syngas and to take advantage of the important natural gas grid and infrastructures already existing in France and in Europe. However, the biomethanation of syngas is a recent technology that raises research issues. In particular, the transfer of the gaseous substrate to the micro-organisms acting as catalysts and situated in the liquid phase is one of the major limitations of the process and must be optimized. On the other hand, it has been observed that CO present in large quantities in syngas could have inhibitory effects on certain groups of microorganisms. Finally, minor compounds (H2S, NH3, tars...) of syngas could also cause inhibition phenomena on microorganisms. To address these issues, a 12 L pressure reactor operating continuously at 4 bars and 55°C was set up. Good performances were obtained, with a maximum productivity of 1 NLCH4/Lreactor/h with conversion rates higher than 80% for CO and H2. Moreover, the inhibition by CO was characterized, showing the high tolerance of the microbial consortium. Finally, a bibliographical study associated with batch tests allowed to identify pollutants in syngas which inhibit certain groups of microorganisms, and which would need to be purified upstream of the process.
Dans un contexte d’économie circulaire, la valorisation énergétique de déchets hétérogènes et ligneux sous la forme de syngas grâce à la pyro-gazéification est une stratégie prometteuse à l’échelle territoriale. Le syngas ainsi obtenu, composé majoritairement de N2, H2, CO et CO2 peut ensuite être valorisé en méthane par biométhanation, qui est le processus biologique de conversion de l’H2 et du CO ou CO2 en méthane. Ceci permet d’améliorer le pouvoir calorifique du syngas et de tirer parti des importantes infrastructures de stockage et de transport du gaz naturel déjà présentes en France et en Europe. Cependant, la biométhanation du syngas est une technologie récente qui soulève des enjeux de recherche. Notamment, le transfert du substrat gazeux vers les micro-organismes agissant comme catalyseurs et présents dans la phase liquide est une des limites majeures du procédé et doit être optimisé. D’autre part, il a été observé que le CO présent en grande quantité dans le syngas pouvait avoir des effets inhibiteurs sur certains groupes de micro-organismes. Enfin, les composés mineurs (H2S, NH3, goudrons…) présents dans le syngas pourraient aussi entrainer des phénomènes d’inhibition sur les micro-organismes. Afin de répondre à ces problématiques, un réacteur en pression de 12 L fonctionnant en continu à 4 bars et à 55°C a été mis en place. De bonnes performances ont été obtenues, avec une productivité maximale de 1 NLCH4/Lréacteur/h associée à des taux de conversion supérieurs à 80 % pour le CO et l’H2. De plus, l’inhibition par le CO a été caractérisée, montrant la haute tolérance du consortium microbien. Enfin, une étude bibliographique associée à des tests en batch a permis l’identification de polluants présents dans le syngas qui inhibent certains groupes de micro-organismes, et qui nécessiteraient d’être épurés en amont du procédé.