Enseignement : Chimie Biochimie Sciences du vivant

Transcription

1 Classe : T ale STL Enseignement : Chimie Biochimie Sciences du vivant THEMES du programme : Des systèmes vivants existent à grande échelle : écosystèmes et biosphère Sous-thèmes : Les organismes vivants sont utilisés par l Homme comme agents de dépollution ou de production Des biodéchets au biométhane : comment l Homme tire-t-il parti du métabolisme des organismes vivants? Extrait du BOEN CONNAISSANCES CAPACITES L Homme exploite les voies métaboliques particulières d organismes vivants dans certains procédés industriels, comme par exemple : - épuration des eaux usées - production de carburants - gazéification des déchets Exploiter des ressources documentaires pour : - dans les procédés d épuration des eaux usées : identifier les étapes mettant en œuvre des organismes vivants et préciser leur rôle - dans la production de carburants : identifier les procédés mettant en œuvre des organismes vivants pour élaborer différents carburants Compétences transversales et attitudes - Rechercher, extraire, organiser des informations utiles - Raisonner, argumenter Type de ressource - Activité documentaire Résumé du contenu de la ressource Mots clés de recherche : méthanisation, biogaz, production de méthane, valorisation du méthane, environnement, biocarburant, développement durable, bactéries. Provenance : Christine RUELLEUX christine.ruelleux@ac-strasbourg.fr Pré-requis : notions de thermodynamique (réactions exergoniques et endergonique, enthalpie libre de réaction, constante de réaction). 1

2 Des biodéchets au biométhane : comment l Homme tire-t-il parti du métabolisme des organismes vivants? Après avoir répondu aux différentes questions relatives aux documents, vous répondrez à la problématique en quelques lignes argumentées. PROBLEMATIQUE : Des biodéchets au biométhane : comment l Homme tire-t-il parti du métabolisme des organismes vivants? Document 1 : La méthanisation naturelle La découverte de la méthanisation remonte à 1776 lorsque l inventeur de la pile électrique, Alessandro Volta, observa la libération de gaz au-dessus d'un marais. Après avoir étudié ce phénomène, il mit en évidence que le "gaz des marais" était inflammable. Ce n est qu en 1892 que le nom de méthane fut admis. Le méthane se forme dans des milieux anaérobies naturels (fumier, lacs, rizières, tourbières, sols humides des forêts tropicales, sédiments marins) par décomposition des déchets organiques sous l action de bactéries. Les processus de digestion de certains animaux, comme les ruminants (vaches, chèvres) et les termites, libèrent une quantité importante de méthane, qui est un gaz à fort effet de serre. Document 2 : Les étapes de la méthanisation Source : 2

3 Document 3 : Tableau des enthalpies libres standard des réactions métaboliques de la digestion anaérobie du glucose REACTIONS D HYDROLYSE ET D ACIDOGENÈSE rg (kj.mol 1 ) C6H12O6 + 2 H2O 2 éthanol + 3 HCO3 + 2 H + 225,4 C6H12O6 2 lactate + 2 H + 198,1 C6H12O6 + 2 H2O butyrate + 2 HCO3 + 3 H H2 254,4 C6H12O6 3 acétate + 3 H + 310,6 C6H12O6 + HCO3 succinate 2 + acétate + formiate + 3 H + + H2O 144,0 3 lactate 2 propionate + acétate + HCO3 + H + 164,8 REACTIONS D HYDROLYSE ET D ACÉTOGENÈSE rg (kj.mol 1 ) lactate + 2 H2O acétate + 2 H2 + 3 HCO3 + H + 3,9 éthanol + 2 HCO3 acétate + 2 formiate + H2O + H + + 7,0 éthanol + 2 H2O acétate + 2 H2 + H + + 9,6 butyrate + 2 H2O 2 acétate + 2 H2 + 3 H ,1 propionate + 3 H2O acétate + 3 H2 + HCO3 + H ,1 REACTIONS DE MÉTHANOGENÈSE rg (kj.mol 1 ) acétate + H2O CH4 + HCO3 31,0 4 H2 + HCO3 + H + CH4 + 3 H2O 135,6 4 formiate + H2O + H + CH4 + 3 HCO3 130,4 Source : glucose : C6H12O6 ; éthanol : CH3CH2OH ; formiate : HCOO ; acétate : CH3COO ; lactate : CH3CH(OH)COO ; butyrate : CH3CH2CH2COO ; propionate : CH3CH2COO ; succinate 2 : OOCCH2CH2COO. Remarque : Il est difficile d écrire des équations de réactions séparées pour chaque étape compte tenu du nombre important de possibilités et du fait que les réactions ont lieu de manière simultanée. Document 4 : Les conditions physico-chimiques de méthanisation La population bactérienne responsable de la méthanisation exige des conditions particulières pour sa croissance. Les principaux facteurs physico-chimiques qui affectent le procédé de digestion anaérobie sont le ph, la température et le potentiel d oxydoréduction. Le ph optimum de la digestion anaérobie se situe autour de ph = 7. Il est le résultat du ph optimum de chaque population bactérienne. Toutefois, la méthanisation peut se produire dans des milieux légèrement acides ou basiques. Deux plages de températures optimales peuvent être définies : la zone mésophile (autour de 35 C) et la zone thermophile (entre C) avec une décroissance de l activité de part et d autre de ces températures. Il reste possible de travailler à des températures différentes des optima avec des performances plus faibles. Les bactéries exigent, outre l absence d oxygène, un potentiel d oxydoréduction inférieur à 330 mv pour initier leur croissance. 3

4 Document 5 : Les bactéries de la méthanisation (film d animation) Document 6 : Composition du biogaz brut nature du gaz proportion (%) méthane (CH4) dioxyde de carbone (CO2) sulfure d hydrogène (H2S) 0 0,5 Document 7 : Le processus industriel de méthanisation 4

5 Document 8 : Le module de cogénération Un module de cogénération est un moteur fonctionnant au gaz. Le biogaz produit par méthanisation est injecté dans le module de cogénération pour produit de l électricité par l intermédiaire d un alternateur. La chaleur dégagée par le moteur et les gaz d'échappement permet de chauffer de l'eau à environ 90 C. Cette chaleur peut être utilisée en interne pour le chauffage des digesteurs et des bâtiments, ou par des usagers extérieurs par le biais d'un réseau de chaleur. 35 % Electricité BIOGAZ 100 Module de cogénération 50 % Chaleur Document 9 : Énergie libérée par différents substrats Pertes 1 tonne de volume de biogaz volume de fioul énergie électrique produit (m 3 ) équivalent (L) (kwh) lisier fumier paille graisse Source : Combustion du méthane : CH4 + 2 O2 = 2 H2O + CO2 rh = 890 kj.mol 1 Document 10 : La filière biométhane en Suède et en Suisse (film documentaire du projet européen Biomax) 5

6 Document 11 : La biométhanisation à Lille (film documentaire du projet européen Biomax) Document 12 : Les ressources potentielles de biogaz Selon une étude publiée par l ATEE (Association Technique Energie Environnement), la production de biogaz pourrait s élever à 750 Mtep/an par méthanisation de tous les déchets produits au niveau mondial. La méthanisation des sous-produits agricoles pourrait accroître cette valeur de Mtep/an. Au total, le biogaz représente un gisement comparable à la consommation mondiale de gaz naturel fossile. En France, l énergie susceptible d être valorisée à partir de la méthanisation des déchets ménagers, des boues d épuration et des effluents industriels a été évaluée entre 2,6 et 5 Mtep/an, ce qui représente plus de 10 % de la consommation actuelle de gaz. Note : Une tep (tonne équivalent pétrole) est l énergie fournie par la combustion d une tonne de pétrole. 1 Mtep (mégatonne équivalent pétrole) = 10 6 tep. QUESTIONS DOCUMENTS Les questions sont réparties autour de deux questions générales relatives au processus de méthanisation et à la valorisation des produits issus de la méthanisation. Les questions détaillées permettent de rechercher et d extraire des documents les informations qui pourront être exploitées pour répondre aux questions générales, puis à la problématique. Le processus de méthanisation QUESTION GENERALE 1 : Quelles sont les caractéristiques physico-chimiques du processus de méthanisation? Les réponses aux questions détaillées suivantes vous permettront de répondre à la question générale 1. Vous préciserez pour chaque question, le document utilisé. Questions détaillées 1) À l aide de vos connaissances, expliquer le terme «anaérobie». Montrer que la méthanisation est bien un processus anaérobie. 2) Donner les noms des étapes de la méthanisation en précisant les noms des bactéries intervenant. 3) Expliquer les noms donnés à chacune de ces étapes («lyse» = coupure ; «genèse» = création). Que se passe-il lors de ces étapes? 4) À quelle grande catégorie de réactions appartiennent les réactions du processus de méthanisation? 6

7 5) Qu est-ce qui différencie les bactéries acétoclastiques des bactéries hydrogénophiles? 6) Parmi les réactions du processus de méthanisation, quelles sont celles qui sont exergoniques? Quelles sont celles qui sont endergoniques? Justifier. 7) La méthanisation est-elle globalement un processus exergonique ou endergonique? Justifier. 8) La méthanisation est-elle un processus thermodynamiquement favorisé? Justifier à l aide de la relation rg = RTlnK. 9) Quels sont les paramètres qui influencent la croissance bactérienne? 10) Les digesteurs utilisés pour la méthanisation sont généralement maintenus à une température de 37 C par un système de chauffage. La méthanisation est-elle possible pour d autres températures? Commenter les performances de la méthanisation pour des températures différentes de 37 C. La valorisation des produits de méthanisation QUESTION GENERALE 2 : En quoi la méthanisation est-elle un processus qui s inscrit dans une dynamique de développement durable? Les réponses aux questions détaillées suivantes vous permettront de répondre à la question générale 2. Vous préciserez pour chaque question, le document utilisé. Questions détaillées : 1) Quelles sont les sources principales de substrats pour la méthanisation industrielle? 2) Quels sont les biodéchets triés par les habitants de la ville de Lille? 3) Quel est le moyen d acheminement des biodéchets et du compost privilégié par la ville de Lille? Justifier le choix fait par la ville. 4) Les substrats utilisés pour produire du méthane peuvent être classés en fonction de leur pouvoir méthanogène. Proposer une définition du pouvoir méthanogène d un substrat. Nommer un substrat à fort pouvoir méthanogène. 5) Pourquoi le réacteur où se déroule la fermentation est-il appelé «digesteur»? 6) Qu appelle-t-on «digestats»? Comment sont-ils valorisés? 7) Qu appelle-t-on «boues d épuration»? 8) Quel est l intérêt du traitement du biogaz brut? 9) Quels sont les constituants principaux du biogaz? Proposer une explication à la variation de leurs proportions. 10) Qu est-ce qui différencie le biogaz du biométhane? 11) Existe-t-il une différence entre le biométhane et le gaz naturel? 12) Quels sont les intérêts de la création d un label pour le biométhane? 13) Quelles sont les applications du biométhane? 14) La combustion du méthane est-elle une réaction exothermique ou endothermique? Justifier. 15) Calculer l énergie fournie par 1 m 3 de biogaz en kwh pour chacun des substrats du tableau. Proposer une explication aux écarts observés. 16) Qu est-ce que la «cogénération»? Quel est le rendement d un module de cogénération? Quel intérêt présente-t-il? 17) Quelles sont les contraintes techniques qui peuvent freiner le développement du biométhane en France comme biocarburant? 18) En quoi l utilisation de biométhane comme carburant permet-elle de réduire l émission de dioxyde de carbone? 19) Comparer la production mondiale annuelle théorique de biogaz à la consommation mondiale annuelle de gaz naturel fossile. 20) Quel est l avantage majeur du biogaz par rapport au gaz naturel fossile? 7