Identification et Modélisation des Conditions de mélange et d’opération de cOdigestion de sous-produits agricoles en METhanisation en voie solide continue (IMCOMET)

Context

La méthanisation en voie solide constitue une solution prometteuse pour la valorisation énergétique des sous-produits agricoles. La société OCTOMETHA a développé une technologie innovante de méthanisation en voie solide continue, validée sur un pilote industriel de 30 kW en 2017, puis sur une unité de 160 kWe à Camps-en-Amiénois (Somme). Cette technologie se distingue par l'absence de broyage préalable et un déplacement naturel de la matière induit par l'évolution de sa rhéologie pendant la digestion anaérobie. L’Institut Polytechnique UniLaSalle et l’université de technologie de Compiègne (UTC) accompagnent la société OCTOMETHA dans
la compréhension des mécanismes scientifiques impliqués afin d’optimiser le procédé industriel. Les travaux antérieurs, notamment la thèse de Manuel Hernandez-Shek (2017-2020), ont permis de caractériser les propriétés rhéologiques des substrats et de développer des méthodes de mesure adaptées. Une étude plus récente d’Antoine Blondel (2024) a également permis d’analyser la distribution des temps de séjour et l'écoulement des substrats et du lixiviat dans le réacteur. Ces avancées ont démontré que la rhéologie des substrats n’est pas le seul paramètre influençant l’hydrodynamique au sein du réacteur - la cinétique biologique, la taille et la porosité des particules ainsi que la forme du réacteur jouent également un rôle déterminant. Il est donc nécessaire d’étudier le processus de digestion anaérobie en voie solide avec une approche transdisciplinaire et multiphysique pour l’optimiser au mieux.

Objectifs de la thèse

Cette thèse a pour but de développer une approche intégrée alliant validation expérimentale à différentes échelles et une modélisation multiphysique avancée, afin d'optimiser la codigestion des sous-produits agricoles dans le procédé OCTOMETHA. Les objectifs de cette thèse sont les suivants : (i) identifier les paramètres opératoires clés de la codigestion en voie sèche continue, (iii) évaluer et quantifier la rhéologie des milieux complexes tout au long du procédé, et (iv) développer un modèle multiphysique avancé en vue d'optimiser ce procédé. 

La codigestion en méthanisation est une étape clé d’optimisation de production de méthane et donc de rentabilité du procédé. Les conditions de mélange des sous-produits agricoles seront définies en utilisant des plans de mélange. Ceux-ci permettront d’établir des conditions optimales qui seront testées à une échelle pilote plus grande. Un des facteurs influençant la digestion anaérobie est la température. Les conditions mésophile et thermophile seront testées. Ces expérimentations seront menées sur des réacteurs de laboratoire ayant une
capacité variant de 2 à 60 litres. La caractérisation et l'optimisation expérimentale du comportement rhéologique des mélanges seront l’un des objectifs. Il s'agira d'étudier l'évolution des propriétés mécaniques au cours de
la codigestion, l'impact de la composition des mélanges sur la rhéologie, ainsi que les effets d'échelle sur les propriétés d'écoulement. Cette étude permettra l'optimisation des conditions de mélange et d'alimentation. Par la suite, les recettes de mélange et les conditions de mise en oeuvre seront validées sur un réacteur pilote de 1 m³, dans le but d'évaluer leur potentiel de transfert à l'échelle industrielle.

Un modèle numérique multiphysique à l'aide du logiciel OpenFOAM sera mis en oeuvre. Ce modèle intégrera l'écoulement des fluides non-newtoniens avec une caractérisation rhéologique avancée, les transferts de masse entre phases solide et liquide, ainsi que l'évolution des propriétés rhéologiques au cours de la digestion.
Toutes ces approches ont pour but d’établir des corrélations entre propriétés rhéologiques et performances du procédé, en analysant le lien entre écoulement et production de biogaz, l'impact de la distribution des temps de séjour, et en définissant des critères de stabilité hydrodynamique.

Modalité de réalisation de la thèse

Le(la) doctorant(e) sera financé(e) par la société OCTOMETHA sous forme de dispositif de thèse CIFRE. La personne recrutée sera inscrite à l'école doctorale Science pour l’ingénieur de l'UTC (ED SPI n° 71) et mènera ses travaux de recherche à UniLaSalle (Beauvais), avec les missions ponctuelles dans les établissements partenaires.
Le(la) doctorant(e) sera amené(e) à organiser et participer régulièrement à des réunions d’avancement avec l’équipe encadrante, à rédiger des rapports d’avancement et à participer à la valorisation de ses travaux (rédactions d'articles scientifiques, communications dans des conférences nationales et internationales, etc.).

Directeurs de thèse
Prof. Thierry Ribeiro, Professeur des Universités, UTC
Dr Laura André, Enseignante-chercheuse, UniLaSalle

L’Institut Polytechnique UniLaSalle (UniLaSalle) est une école d’ingénieurs post-bac, labellisée EESPIG, créée historiquement en 1854, employant 280 salariés dont 120 enseignant-chercheurs, qui propose à ses 2500 élèves 3 formations d’ingénieurs reconnues par la CTI : Agronomie & Agro-industries, Alimentation & Santé et Sciences de la Terre & Environnement (Géologie). UniLaSalle possède quatre sites : l’un à Beauvais, l’autre à Rouen (Mont-Saint-Aignan), Rennes & Amiens. Ses domaines de compétence sont les agro-ressources, les sciences agronomiques et animales, les sciences et techniques agro-industrielles, l’agroalimentaire et la nutrition, les géosciences et l’environnement, le numérique. UniLaSalle se présente aujourd’hui comme l’une des plus grandes écoles d’ingénieur en agriculture en France, diplômant près de 300 ingénieurs par an dans les domaines des sciences de la vie (Agriculture, Agronomie, Agroindustries, Alimentation & Santé) et de la terre (Géosciences).

Les activités de recherche sont adossées à des unités de recherche thématiques : Interact, AgHyle, B2R,  Transformations & Agroressources. UniLaSalle dispose en effet de laboratoires de recherche, dont l’expertise est reconnue dans les domaines de la valorisation des agroressources (pôle de compétitivité mondial Industries et Agro-ressources), et une ferme expérimentale sur son site de Beauvais.

L’équipe du département des Sciences et Techniques Agro-Industrielles d’UniLaSalle s’est engagée activement depuis septembre 2008, et maintenant depuis début 2017 l’Unité de recherche Transformations & Agroressources récemment constituée, sur la durabilité et le cycle de vie des matières organiques en partenariat avec l’équipe TIMR - UTC. Ainsi elle a engagé une première déclinaison de la thématique sur la valorisation bioénergétique de la matière organique, principalement par méthanisation, et mène (ou a mené) des travaux de recherche dans le cadre sur la thématique de la valorisation bioénergétique de la matière organique dans le cadre de nombreux projets de recherche réalisés par des financements académiques et/ou industriels.

L’expertise développée conjointement par UniLaSalle Beauvais et l’UTC depuis 2008 lors des projets précédents de recherche menés dans le domaine de la méthanisation et de la valorisation des coproduits agro-industriels, se traduisant entre autres par des publications en commun et des co-encadrements de thèse, font que ces équipes se complémentent parfaitement pour mener à bien les travaux de recherche.

Cette collaboration est maintenant structurée, depuis le 1er janvier 2017, avec la création d’un Groupement d’Intérêt Scientifique dénommé SOLIMÉTHA « Méthanisation de sous-produits d'origine agronomique et agro-industrielle en voie sèche, solide ou pâteuse », consacré à approfondissement des connaissances et la maîtrise des procédés relatifs aux sous-produits d'origine agronomique et agro-industrielle en voie sèche, solide ou pâteuse.

Enfin, UniLaSalle et UTC sont impliqués dans la Commission Méthanisation du Pôle de compétitivité mondial Industries & Agro-Ressources, produisent conjointement des publications et des communications dans le domaine, sont membres de comités scientifiques d’évènements en lien avec la méthanisation ; enfin UniLaSalle est membre du Comité de Direction, collège Enseignement supérieur et Recherche, du Club Biogaz ATEE.

•Diplôme d’ingénieur ou équivalent (Master 2, M.Sc., etc.)
• Compétences en génie des procédés / génie de l'environnement
• Compétences en bioprocédés pour valorisation et traitement des déchets
• Compétences en rhéologie des fluides complexes
• Compétences en modélisation numérique des bioprocédés (Scilab, Matlab, CFD, etc.)
• Capacité à coupler les approches théoriques et expérimentales
• Bon niveau d’anglais, autonomie, curiosité, proactivité, capacité de travail en équipe