Les objectifs de réduction des énergies fossiles, d’émissions de gaz à effet de serre et de gestion de volumes croissants de déchets peuvent être atteints grâce à l’implémentation de la gazéification. Cette technologie permet de générer du gaz de synthèse (syngaz) dont le contenu en CO, CO2 et H2 peut être converti en méthane, un vecteur énergétique pour lequel les infrastructures de stockage et de transport en France et en Europe sont largement développées. La biométhanation est un procédé reposant sur l’action de microorganismes capables de convertir le syngaz en méthane. Toutefois, ce procédé fait face à plusieurs verrous scientifiques et technologiques, notamment la limitation par le transfert de matière gaz-liquide et l’inhibition provoquée par le CO et les impuretés du gaz de synthèse. Afin de déployer le procédé à l’échelle industrielle, un effort de modélisation doit être entrepris pour développer des outils de dimensionnement et de pilotage capables de décrire les cinétiques biologiques et les effets inhibiteurs du CO et des impuretés. La biométhanation du syngaz en culture mixte est plus efficace en régime thermophile qu’en régime mésophile et met en jeu deux réactions biologiques : la méthanogenèse hydrogénotrophe (MH) et la réaction carboxydotrophe hydrogénogène (RCH).
Si les paramètres cinétiques de ces réactions biologiques ont été étudiés pour des cultures pures, ils restent peu documentés en culture mixte. De plus, la limitation par le transfert rend difficile l’identification de ces paramètres, car les vitesses mesurées sont impactées par celle du transfert de matière. Dans le cas de la RCH, les paramètres d’inhibition par le CO n’ont, à ce jour, pas été déterminés en culture mixte. L’objectif de cette thèse est donc de développer une méthodologie permettant de déterminer les paramètres cinétiques de ces réactions en culture mixte thermophile. A cette fin, des réacteurs fermés pressurisés ont été mis en œuvre pour fonctionner à pression élevée, permettant de s’affranchir d’un transfert de matière limitant et de pouvoir mesurer les variables expérimentales caractérisant les cinétiques réactionnelles. En parallèle, un modèle numérique intégrant les équilibres chimiques, le transfert de matière et les réactions biologiques a été développé. Un algorithme de calage basé sur la méthode des moindres carrés a été utilisé pour identifier les paramètres cinétiques du modèle avec un ajustement sur les données expérimentales.
Concernant la MH, l’approche expérimentale a permis de s’affranchir de la limitation par le transfert de matière. Cela a garanti l’identification des paramètres cinétiques de cette réaction biologique. La méthodologie de calage du modèle a été validée et appliquée à 19 essais expérimentaux, conduisant à l’estimation robuste des paramètres cinétiques. Cela ouvre la voie à l’étude de l’effet des impuretés sur la MH en culture mixte thermophile. En revanche, pour la RCH, les travaux réalisés ont montré la difficulté de définir des conditions opératoires permettant d’éviter simultanément une inhibition complète par le CO et une limitation par le transfert de matière gaz-liquide. Bien qu’une zone opératoire optimale ait été identifiée, les essais menés dans ces conditions n’ont pas été répétables et la méthode de calage a montré quelques limites. Quelques pistes d’amélioration sont proposées pour faire évoluer le modèle et la méthodologie de calage.