La méthanation biologique est une technologie verte prometteuse qui permet de valoriser les déchets organiques et de stocker l’excès d’énergie renouvelable sous forme de méthane. Toutefois, cette technologie en est encore à ses débuts en matière de commercialisation, car les recherches actuelles se concentrent sur des études de preuve de concept à l’échelle laboratoire/pilote et les exemples à grande échelle sont encore rares. Par ailleurs, les modèles numériques simplifiés (à une dimension 1D) ou tridimensionnels (CFD – Computational Fluid Dynamics) sont des outils pertinents pour le changement d’échelle et l’optimi sation des bioréacteurs. Ce travail fournit un exemple concret du changement d’échelle du procédé de méthanation biologique, appuyé par des outils de simulation 1D et 3D. Les modèles ont d’abord été validés avec des données expérimentales à l’échelle pilote (volume de 22 L), puis appliqués à l’échelle industrielle au cas du réacteur d’Electrochaea (volume de ~5 m3). Il s’avère que le transfert gaz-liquide de l’hydrogène a un impact limitant sur la performance biologique. À l’échelle du laboratoire, l’injecteur de gaz joue un rôle crucial dans la génération de la population de bulles, ce qui affecte ultérieurement le transfert de masse et la performance biologique globale. La pureté du méthane a été multipliée par deux avec une plaque poreuse uniforme par rapport à quatre diffuseurs ponctuels. À plus grande échelle, le modèle CFD révèle des écoulements instables dus à des gradients de densité résultant d’un fort appauvrissement gazeux, puisque l’injection de quatre moles d’hydrogène et une mole de dioxyde de carbone forment au plus une mole de méthane en sortie. L’article se termine par des recommandations pour le changement d’échelle et la conception des réacteurs de méthanation, notamment des stratégies visant à améliorer le transfert gaz-liquide à grande échelle. Ces stratégies impliquent une conception de distributeur uniforme permettant l’injection de petites bulles et la conception de hauts bioréacteurs pour améliorer les performances liées au transfert d’hydrogène.

Biological methanation is a promising green technology for recovering organic wastes and
storing excess renewable energy in the form of methane. However, the technology is still in its early-stage of commercialisation, as the recent research focus on laboratory/pilot-scale proof-of-concept studies and the large-scale examples are still scarce. Numerical models such as the one-dimensional (1D) model and the computational fluid dynamics (CFD) model are valuable tools for scaling-up and optimizing bioreactors.
The current work provides a conceptual example of scaling up the biological methanation process. The models were initially validated using pilot-scale (22 L volume) experimental data and subsequently applied to simulate the Electrochaea reactor (~5 m3volume). It is found that hydrogen gas-liquid mass transfer has a significant impact on biological performance. The sparger design plays a crucial role in determining bubble diameter, which subsequently affects the mass transfer and the overall biological performance. A two-fold increase in the methane purity was obtained with a uniform porous sparger as compared to a point-wise sparger. In the large-scale, the CFD model unravels the unsteady flow patterns due to density gradients
resulting from huge gas depletion, as 4 moles of hydrogen and 1 mole of carbon dioxide from the inlet are reduced to 1 mole of methane at the outlet. The paper concludes with recommendations for upscaling and reactor design, namely strategies to improve large-scale gas-liquid mass transfer. These strategies involve a uniform sparger design, small bubble diameters, and designing tall bioreactors for enhanced performance.