Démarrage : automne 2016
Contexte
Le modèle de développement de la méthanisation en France, basé sur la co-digestion de différents co-substrats organiques, nécessite des équipements et un suivi prenant en compte cette spécificité, notamment par rapport au modèle développé en Allemagne. Pour cela, la mise au point de nouveaux capteurs pour le suivi, la gestion et le contrôle des procédés de méthanisation afin de sécuriser et d’optimiser leur fonctionnement apparaît comme un élément majeur et doit permettre d’accompagner le développement de ce procédé. Les capteurs optiques, notamment la spectrométrie proche infrarouge (SPIR), se sont fortement développés pour des mesures spécifiques rapides et en ligne dans de nombreux domaines (pharmaceutique, biomédicale, agroalimentaire, agriculture, …). En effet, il s’agit d’une technique non destructive qui permet d’accéder rapidement à la composition chimique des matériaux : la SPIR donne une empreinte unique de la composition de la matière. Elle constitue une technique très robuste lorsqu’elle est utilisée sur des matériaux peu absorbants et peu diffusants. Ainsi, les outils de spectrométrie apparaissent comme des technologies intéressantes et parmi les plus pertinentes pour le suivi « en ligne » des milieux biologiques et pour envisager des stratégies de contrôle du procédé de méthanisation. Toutefois, ces techniques optiques se sont principalement développées pour la caractérisation de matériaux peu absorbants et peu diffusants et, même si des résultats scientifiques semblent prometteurs, des travaux de recherche sont nécessaires pour les adapter à la caractérisation des milieux complexes tels que les matrices rencontrées dans les digesteurs et pour les évaluer dans ces conditions d’utilisation contraintes.
 
Etat de l’art
Des travaux ont déjà été réalisés en SPIR avec des résultats montrant qu’il est possible de suivre, à l’échelle du laboratoire, les acides gras volatils (AGV), la demande chimique en oxygène (DCO), l’alcalinité et les teneurs en azote. Cependant, des prétraitements conséquents de l’échantillon à analyser sont souvent nécessaires afin de palier la difficulté de mesure liée à la turbidité du milieu, ce qui rend cette technique difficilement applicable en ligne et en continu. De plus, l’ensemble des travaux a visé à déterminer les mêmes paramètres, principalement les AGV et les teneurs en azote. Dans le cas d’utilisation de co-substrats à fortes teneurs en lipides, très utilisés en France pour la méthanisation, la mesure des teneurs en AGV ne permet pas de détecter rapidement les inhibitions et n’est pas un bon indicateur du fonctionnement du système. Par contre, des travaux récents utilisant différents types de produits à fortes teneurs en lipides (Girault, 2011 ; Mendez 2015) ont montré que la teneur en acide palmitique semblait être un très bon indicateur du dysfonctionnement. Aucune publication n’est répertoriée dans la littérature sur le suivi de cet indicateur par SPIR mais quelques travaux dans d’autres domaines, sur des matrices beaucoup plus simples, semblent indiquer la faisabilité de cette méthode. La complexité du milieu (digestat) reste une difficulté majeure mais les premiers résultats de Holm-Nielsen et al. (2008), sur la mesure SPIR des teneurs en glycérol dans ce type de milieu, sont très encourageants. Au-delà de ces indicateurs spécifiques et en lien avec un ou des composés chimiques bien identifiés, l’utilisation de la spectrométrie pour l’acquisition de descripteurs globaux ou spécifiques mais dont le composé en cause n’est pas forcément identifié apparaît également comme une technique intéressante et à investiguer.
 
Objectifs et programme de la thèse
L’objectif principal de ce projet est de développer un ou des capteurs optiques basés sur la spectrométrie proche infrarouge (SPIR) pour le suivi et le contrôle du fonctionnement biologique des digesteurs. L’étude et l’application de cette technologie est envisagée à travers deux sous-objectifs :
– L’utilisation de la SPIR pour la mesure et le suivi des acides gras longues chaines (AGLC) et plus particulièrement de l’acide palmitique. En effet, ces composés ont été identifiés comme des indicateurs pertinents de l’apparition d’inhibition lors de la co-digestion avec des substrats à forte teneur en lipides.
– L’utilisation de la SPIR pour la mesure et le suivi de l’empreinte globale du fonctionnement du digesteur et la détection de dérives à travers l’évolution de ces descripteurs globaux.
Il s’agit donc de définir expérimentalement un ensemble de descripteurs basés sur la spectrométrie facilement et rapidement mesurables, qui décrivent le fonctionnement d’un digesteur en temps réel et permettent un pilotage optimal du procédé.
 
La mise au point d’une méthode de mesure en SPIR de qualité sur les matériaux bruts (sans prétraitements) sera l’une des première tâche de ce projet.  Par la suite, la technologie choisie sera testée expérimentalement pour caractériser les AGLC et plus particulièrement l’acide palmitique en utilisant des échantillons de digestats prélevés sur différents sites industriels de méthanisation.
Enfin, des expérimentations en réacteur de méthanisation seront mises en œuvre à l’échelle du laboratoire afin de tester ce capteur et le modèle associé pour la prédiction des AGLC.  Les données obtenues lors des phases expérimentales seront également utilisées pour la définition de descripteurs globaux susceptibles d’être utilisés de manière plus générique pour le contrôle du procédé. Des analyses chimiques classiques (MS, MV, DCO, N, …) mais également plus spécifiques (spectrométrie de masse par exemple) devront être réalisées afin de corréler les résultats spectrométriques globaux avec d’éventuels composés chimiques.
 
Conditions et déroulement
Cette thèse se déroulera sur 3 ans à partir de la rentrée 2016 principalement sur le centre Irstea de Rennes au sein de l’unité de recherche OPAALE (Optimisation des procédés en agriculture, agroalimentaire et environnement). Des déplacements sur le centre Irstea de Montpellier au sein de l’UMR ITAP (Information-Technologies- Analyse environnementale – Procédés agricoles) seront nécessaires, notamment au cours de la première année.
La thèse sera dirigée par Fabrice Béline sur le site de Rennes et Ryad Bendoula Alexia Gobrecht à Montpellier.
D’autre part, le sujet de thèse sera adossé à un projet de recherche plus global mettant en jeu des partenariats avec le secteur industriel auquel le doctorant sera largement associé.
L’école doctorale de rattachement du doctorant sera l’ED « Ecologie Géosciences Agronomie Alimentation (EGAAL) » de l’université Bretagne-Loire.
 
Profil du candidat recherché
Le candidat recherché devra présenter une formation en génie des procédés ou génie chimique et, idéalement, avoir une expérience en traitement de l’eau et/ou des déchets. Des compétences en chimiométrie/optique, soit au travers de la formation initiale, soit au travers du stage de fin d’études seront un plus. Enfin, le candidat devra faire la preuve d’un goût prononcé pour les travaux expérimentaux et avoir des qualités rédactionnelles avérées en français et en anglais. Il devra également avoir des qualités organisationnelles lui permettant de planifier son travail et de respecter les échéances de la thèse.
 
Contacts
Fabrice Beline : email : fabrice.beline@irstea.fr; Tel : +33 (0)2 23 48 21 19.
Ryad Bendoula : email : ryad.bendoula@irstea.fr; Tel : +33 (0)4 67 16 64 63